東莞市杰夫阻燃材料有限公司

未來信息技術(shù)需要低功耗、高性能的晶體管，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖描繪的未來晶體管通道長度小于10納米。近年來的研究熱點(diǎn)之一二維（2D）原子晶體材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，具有散射小、遷移率高、便于制備疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)易于調(diào)控等特性，成為制作未來晶體管的候選材料之一。在已發(fā)現(xiàn)的二維原子晶體材料中，由元素周期表中IV族元素構(gòu)成的單層材料（例如石墨烯，硅烯，鍺烯和錫烯等）具有高載流子遷移率，但由于其帶隙為零或趨近于零，限制了它們?cè)趫鲂?yīng)晶體管等電子學(xué)器件中的應(yīng)用前景。

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相比之下，由元素周期表中V族元素構(gòu)成的層狀材料，例如黑磷，具有較大的帶隙以及高的載流子遷移率等特性。然而，黑磷在大氣條件下不穩(wěn)定，由它制備的器件的適用性受到限制。近，V族元素銻構(gòu)成的單層銻烯（antimonene）引起了研究者的極大興趣。已有理論預(yù)測銻烯的帶隙隨層厚的改變而變化，特別對(duì)于單層銻烯，理論預(yù)言其帶隙為2.28eV。同時(shí)，與石墨烯相比，銻烯具有更高的載流子遷移率?；谶@些特性，銻烯在相關(guān)電子器件和光電子器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。因此，如何獲得這種材料，特別是高質(zhì)量的單層銻烯生長備受關(guān)注。

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中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員高鴻鈞的研究團(tuán)隊(duì)，多年來致力于新型二維晶體材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得了一系列研究成果。近日，該研究組博士生武旭、邵巖和研究員王業(yè)亮等，制備了單層銻烯，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了研究。在光電子能譜分析方面，該研究團(tuán)隊(duì)與北京同步輻射中心的副研究員王嘉鷗等合作；在理論計(jì)算方面，他們與物理所副研究員孫家濤等合作；所使用的二碲化鈀（PdTe₂）單晶襯底由物理所研究員石友國等提供。

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在具體的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程中，科研人員考慮到層狀的過渡金屬二硫?qū)僮寤衔铮ê喎QTMD）PdTe₂表面化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)具有六方對(duì)稱性，晶格周期（4.10 ?）與銻單晶層內(nèi)的周期（4.12 ?）晶格匹配，與理論預(yù)言的單層銻烯（周期4.01 ?）的晶格失配度也只有2.3 %。因此，他們選用PdTe₂作為襯底，利用分子束外延生長方法，獲得了高質(zhì)量單層銻烯。借助低能電子衍射（LEED）和掃描隧道顯微技術(shù)（STM）等手段，對(duì)所生長的單層銻烯的精細(xì)原子排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從STM圖可以清晰地分辨出銻原子形成了六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)，為銻烯；LEED實(shí)驗(yàn)證明，他們獲得了大面積、高質(zhì)量的銻烯單晶（圖1）。結(jié)合X射線光電子能譜實(shí)驗(yàn)和電子局域函數(shù)理論計(jì)算結(jié)果，揭示了單層銻烯和基底之間局域電子態(tài)很少，只有弱的范德瓦爾斯相互作用（圖2、圖3）。進(jìn)一步的STM和XPS實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果表明（圖4），單層銻烯在空氣中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，暴露空氣后沒有被氧化，這一特性對(duì)于銻烯進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用至關(guān)重要。

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該工作提供了一種制備高品質(zhì)單層銻烯的方法，也提供了一種制備具有原子級(jí)平整界面的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新思路，即直接利用TMD材料作為襯底外延生長單層二維原子晶體材料，為二維材料異質(zhì)結(jié)器件的研究提供了有價(jià)值的參考。同時(shí)，銻烯作為類石墨烯結(jié)構(gòu)的新型二維原子晶體材料，拓展了非碳基二維蜂窩狀晶體材料的研究領(lǐng)域，而且它具有寬帶隙、高遷移率的特點(diǎn)，在大氣環(huán)境下穩(wěn)定，在未來電子器件方面具有潛在的應(yīng)用前景。

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相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced?Materials上。該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的支持。（來源：中國科學(xué)院物理研究所）

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圖1.外延生長的單原子層銻烯。PdTe₂表面生長單層銻烯示意圖（a），大范圍STM圖像和LEED衍射斑點(diǎn)（b），原子分辨STM圖（c）及對(duì)應(yīng)的側(cè)向切面圖（e, f），和原子結(jié)構(gòu)頂視圖和側(cè)視圖（d）。

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圖2.PdTe₂表面單層銻烯的原子結(jié)構(gòu)模型（a，d），相應(yīng)STM模擬圖像（b），實(shí)驗(yàn)圖像（c），電子局域函數(shù)頂視圖和切面圖（e，f）。

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圖3.PdTe₂襯底表面生長單層銻烯前后Pd和Te元素的XPS測量結(jié)果（a，b），單層銻烯中Sb元素的XPS測量結(jié)果（c），表明襯底與單層銻烯之間幾乎沒有電荷轉(zhuǎn)移。

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