“硅烯”是继石墨烯之后,第二个由单元素所形成的二维材料,是由纯硅单原子层形成的二维蜂窝状结构。硅是现代半导体工业的基石,人类文明经历了石器时代、铁器时代,当今正处于硅时代。关于硅人们自然已经研究得非常透彻,无论是自然界还是人工合成,硅材料的基本结构是sp3杂化的硅原子形成的金刚石晶格结构,这与化学元素周期表中同族的碳原子易于形成sp2杂化的层状石墨结构非常不同。究其原因,是因为硅原子成键的间距较大,难以形成sp2杂化的pi电子交叠。但意外的是,几年前理论学者提出硅也有可能以sp2/sp3混合杂化的方式,形成具有一定翘曲的单原子层蜂窝结构,并命名为“硅烯”。更为重要的是,硅烯并不仅仅是一个单原子层的结构,它具备和石墨烯类似的Dirac(狄拉克)电子态,而且由于硅的自旋轨道耦合更强,能够在能带中打开更大的能隙,可以被认为是一种真正的二维拓扑绝缘体(石墨烯被认为是二维拓扑绝缘体,但其能隙太小,因此实际上无法观测其效应)。令人激动的是在2012年,国际上几个研究组同时宣布在实验上获得了硅烯。在这种最基本而且研究得最透彻的材料硅中发现这种意外的结构形式,使人们有可能将一些最新的物理概念和量子效应(例如Dirac电子态、二维拓扑绝缘体、自旋电子学)引入到硅工业中,其重要性不言而喻。目前国际上关于硅烯及其相关的锗烯、锡烯的研究蓬勃发展,方兴未艾,最近甚至已经有人演示了基于硅烯的二维器件的原型,这是凝聚态物理和材料学的一个非常有趣的前沿领域。值得一提的是,在硅烯的研究领域中,来自中国的物理学家们一直走在最前列。从早期的理论预言,到硅烯、锗烯等材料的最早合成,以及硅烯的物性探索,都有来自中国科学院物理研究所、清华大学、北京大学等国内研究者的领先贡献。因此硅烯领域也是为数不多的中国具有优势的研究领域。经过国内外多位学者及编辑部的共同努力,《中国物理B》推出了本期“硅烯”专栏,希望能够反映硅烯研究领域的现状和最新进展,推动国内外在硅烯领域的研究。 本专栏荟集了国内外硅烯研究领域的多位著名学者的文章,其中包括硅烯的生长和结构、生长机理、自旋电子学等方面的综述,硅烯的掺杂、外场作用下的性质变化、以及硅烯的化学改性等。由于硅烯的研究刚刚发展,目前还没有关于硅烯研究的全面的综述文献,能找到的寥寥几篇综述内容也都很局限。而本专栏的几篇综述概括了硅烯研究领域的现状、问题和发展方向,是对硅烯领域非常难得的概括和讨论。本专栏还包含了几篇硅烯研究的最新工作,反映了一些方向的有趣进展。
——吴克辉
硅烯是一种新型硅同素异形体,具有与石墨烯类似的二维蜂窝状晶格结构,同时也被预测具有与石墨烯类似的电子性质,例如标志性的狄拉克费米子等。此外,硅原子具有更强自旋轨道相互作用,因此硅烯又是一种有潜力的二维拓扑绝缘体。2012年起,硅烯薄膜在银表面的实验合成,掀起了一阵世界范围内的硅烯研究的热潮。在成功合成硅烯的基础上,我们和合作者利用扫描隧道显微镜结合第一性原理的量子力学计算,对银表面的硅烯原子结构和电子结构做了系统的研究。除了单层的硅烯薄膜,我们还研究了衍生系统,包括双层和多层硅烯,以及氢化硅烯等。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 086102 作者:李晖、付会霞、孟胜)
目前在硅烯的研究中,最常用的衬底是Ag(111)单晶表面。在此表面上,硅烯表现出多种不同的结构相,而这些相的具体的原子结构和形成机理尚未得到全部理解。本文我们综述了硅烯在Ag(111)表面的生长规律以及不同相形成的条件。并对各种相的原子结构模型、电子结构和形成机理做了详细探讨。同时,对于这个研究领域的一些有争议的地方做了尽可能的理解和澄清。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 086802 作者:吴克辉)
硅烯是一种具有和石墨烯类似的蜂窝状结构的二维晶体材料, 这种新型材料已经在少数几种基底上成功地获得。本文主要综述了在Ir(111)基底表面硅烯和硅烯-石墨烯叠层结构的制备及相应的物性。对于Ir (111)表面的硅烯,详细分析和讨论了基底诱导的(√3×√3)硅烯/(√7×√7)Ir(111)起伏构型及相应的电子结构。对于硅烯-石墨烯叠层结构,可通过插层的方法在石墨烯下面构建硅烯层来实现,这种二维结构整合了硅烯和石墨烯,有望兼具硅烯和石墨烯的优越性质,而且和当前的硅基微电子工艺相兼容,在微电子学及相关领域具有重要的科学价值及应用潜力。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 086803 作者:孟蕾、王业亮、张理智、杜世萱、高鸿钧)
硅烯是由硅原子通过sp2-sp3混合杂化构成的新型二维材料。由于硅原子的sp2-sp3混合杂化,硅烯具有优异的化学反应活性,从而有利于化学改性的进行。已有大量研究表明,化学改性可以有效调控硅烯的各项性能。在这篇综述中,我们将讨论硅烯的各种化学改性,例如:氢化、卤化、有机表面改性、氧化、掺杂以及形成二维混合物等,对其几何结构、电子性能、光学性能以及磁学性能的影响;介绍化学改性的硅烯在电子学、光电子学以及磁电子学等领域的潜在应用。最后,我们将讨论硅烯的化学改性在进一步推进硅烯发展过程中所需要进行的工作。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 086807 作者:王蓉、徐明生、皮孝东)
图1.纯硅烯的STM图(a)和结构模型(b),以及氢化硅烯的STM图(c)和结构模型(d) [引自2015 Phys. Rev. Lett. 114 126101]。
自旋电子学主要涉及对固体系统中电子自旋自由度进行有效操作和控制的研究。石墨烯中奇特的自旋相关性质引起研究人员对石墨烯及其他二维材料自旋电子学的研究兴趣。石墨烯的类似物,硅烯被认为是自旋电子学领域内充满希望的材料。在这里,我们提供一个关于硅烯自旋相关性质包括其拓扑性质的综述,并总结了相应的自旋电子学器件模拟研究。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087201 作者:王洋洋、屈贺如歌、俞大鹏、吕劲)
这篇文章综述了最近利用密度泛函理论(DFT)计算了在外场(如外电场,应力等)调制下的硅基纳米带电子性质的结果。对于二维(2D)掺杂铁原子硅烯结构,当施加在其上的外电场超过某个阈值时,它的磁矩会发生迅速的跳变。这种好的开关效应可以用来作为磁电(ME)二极管。通过施加外电场可以对体系的磁性质进行快速的开关控制,这一性质在磁电装置中有很大的潜在应用价值。在一维(1D)硅纳米结构中,锯齿状的硅纳米带(SSiNRs)要比zigzag硅纳米带(ZSiNRs)更稳定而且具有比较好的自旋半导体性质。在外电场或者单轴压缩应力的调制下,锯齿状的硅纳米带将会变成无帯隙的自旋半导体,这一现象对于在自旋电子学中设计量子比特的量子计算具有指导意义。超晶格结构的硅基armchair型纳米带(ASiSLs)是另一种类型的一维硅纳米带。它的能带结构可以通过改变超晶格的尺寸和施加在其上的应力来进行调制。随着应力的增加,这种结构的帯隙将会发生改变,这与组成它的纳米带的帯隙变化情况完全不同。这些结果对于设计量子器件具有潜在的应用价值。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087302 作者:李庚、赵银昌、郑蕊、倪军、吴言宁)
硅烯是具有六角蜂窝状晶格的硅原子单层。近年来,硅烯凭借其优异的电子性质以及和成熟硅基半导体工艺很好的兼容性取得了迅速的发展。硅烯在多种衬底上的成功制备为其将来在微电子器件中的应用打下了坚实的基础。硅烯的生长机制对于获得高质量的硅烯至关重要。在本篇综述中,我们详细地讨论了硅烯在Ag(111)面上的生长机制。同时,我们还总结讨论了关于硅烯电子性质的几个关键问题,包括点缺陷效应、衬底效应、碱金属插层以及硅烯与过渡金属的单层合金等。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087303 作者:柳洪盛、韩楠楠、赵纪军)
图2: 银(111)表面,二维硅团簇的结构和形成能[引自2012 Sci. Rep. 2 861]。
硅烯,结构与石墨烯类似,已成功在不同衬底上外延生长。与悬挂石墨烯类似,悬挂的硅烯具有蜂窝状的几何结构和狄拉克锥状的能带,因此硅烯具有很多奇特的性质,比如高载流子迁移率,量子霍尔效应,量子反常霍尔效应,和量子谷霍尔效应。硅烯的蜂窝状几何结构和狄拉克锥对观察这些奇特性质至关重要。该综述从理论角度系统地讨论了不同衬底对硅烯的原子结构和电子性质的影响,重点关注狄拉克锥的变化。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087308 作者:钟红霞、屈贺如歌、王洋洋、史俊杰、吕劲)
In this topical review, we discuss the electronic structure of free-standing silicene by comparing results obtained using different theoretical methods. Silicene is a single atomic layer of silicon similar to graphene. The interest in silicene is the same as for graphene, in being two-dimensional and possessing a Dirac cone. One advantage of silicene is due to its compatibility with current silicon electronics. Both empirical and first-principles techniques have been used to study the electronic properties of silicene. We will provide a brief overview of the parameter space for first-principles calculations. However, since the theory is standard, no extensive discussion will be included. Instead, we will emphasize what empirical methods can provide to such investigations and the current state of these theories. Finally, we will review the properties computed using both types of theories for free-standing silicene, with emphasis on areas where we have contributed. Comparisons to graphene is provided throughout.
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087309 作者:L. C. Lew Yan Voon)
自由硅烯是一个由起皱的蜂窝状晶格组成的二维硅原子片层材料,具有狄拉克锥型的特殊电子结构。自2012年首次在银表面上成功制备,硅烯同石墨烯一样被认为是后硅时代的潜力材料。虽然理论上硅烯的迁移率很高,但其零能隙的特点导致它不能直接用作室温下运行的高表现场效应晶体管。在本文中,我们首次对在不破坏高迁移率的前提下打开硅烯能隙的理论方法以及打开能隙后相应的硅烯器件模拟进行了综述。此外,我们还介绍了一种新型的不需打开能隙的全金属硅烯晶体管。要真正实现硅烯晶体管还有两个困难需要克服:硅烯与金属衬底的强相互作用以及硅烯在空气中的不稳定性。在本文最后部分,我们简要介绍了通过生长-转移方法合成的具有类似石墨烯场效应管的狄拉克型双极性电子输运特性的首个硅烯晶体管的实验进展。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 088105 作者:屈贺如歌、王洋洋、吕劲)
By using density functional theory (DFT)-based first-principles calculations, the structural stability and electronic properties for two kinds of silicene domain boundaries, forming along armchair edge and zigzag edge, have been investigated. The results indicate that a linkage of tetragonal and octagonal rings (4|8) appears along the armchair edge, while a linkage of paired pentagonal and octagonal rings (5|5|8) appears along the zigzag edge. Different from graphene, the buckling properties of silicene lead to two mirror symmetrical edges of silicene line-defect. The formation energies indicate that the 5|5|8 domain boundary is more stable than the 4|8 domain boundary. Similar to graphene, the calculated electronic properties show that the 5|5|8 domain boundaries exhibit metallic properties and the 4|8 domain boundaries are half-metal. Both domain boundaries create the perfect one-dimensional (1D) metallic wires. Due to the metallic properties, these two kinds of nanowires can be used to build the silicene-based devices.
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 086806 作者:肖红君、张礼智、杜世萱、高鸿钧)
The electronic structures of monolayer silicenes (4×4 and √13×√13R13.9o) grown on Ag (111) surface are studied by scanning tunneling spectroscopy (STS) and density functional theory (DFT) calculations. While both phases have similar electronic structures around the Fermi level, significant differences are observed in the higher energy unoccupied states. The DFT calculations show that the contributions of Si 3pz orbitals to the unoccupied states are different because of their different buckled configurations.
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087307 作者:Chun-Liang Lin, Ryuichi Arafune, Maki Kawai, Noriaki Takagi)
硅烯被认为是二维拓扑绝缘体,该体系能隙随着电场增加会首先闭合而后重新打开,能隙的这一演化过程反映了体系发生了从量子自旋霍尔态到普通绝缘态的拓扑相变。然而相对于石墨烯,硅烯中的硅原子间距较大,能带宽度较窄,电子间关联相互作用可能会对该体系的电子结构有较大的影响。 通过考虑赫巴德相互作用、内禀自旋轨道耦合以及外加电场等作用项,在紧束缚框架下我们利用平均场方法详细地研究了硅烯的相图。结果表明赫巴德相互作用和外加电势都可以为体系引入有效质量项,当两者引入的质量项大小接近时,内禀自旋轨道耦合将会使得某一个自旋(上自旋或下自旋)在K或者K'处的质量项反号,从而在该体系中诱导出自旋极化的量子反常霍尔态。
(文章发表在:2015 Chin. Phys. B 24 087503 作者:刘峰、刘铖铖、姚裕贵)
点击 “阅读原文”查看更多内容。封面图片摘自2015 Chin. Phys. B 24 087303
关注请加微信号:中国物理学会期刊网
长按二维码,自动识别,添加关注