超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

硅烯:一种新型的二维狄拉克电子材料

要硅烯是单原子层的硅薄膜,其结构与石墨烯类似,由于其奇特的物理性质特别是狄拉克—费米特性,在近年来引起了人们的关注。文章简要介绍了硅烯这一全新的二维体系在实验上的一些进展,包括实现硅烯在表面上的外延生长,重构的结构表征和相变,狄拉克电子特性的证实,以及可能具有的超导转变等。     

掺杂对硅烯的性能影响

硅烯是单原子层的硅薄膜,具有类石墨烯结构.因此拥有与石墨烯相似的各种奇特的热学、化学、光学和电学性质.近年来,硅烯引起了研究者的广泛关注,作为一种新型的二维狄拉克电子材料,硅烯在理论计算和实验上都取得了不少新的进展.本文主要在前人对硅烯实施边缘钝化、掺杂、外加电场、加应力或者表面官能团修饰和吸附等研究的情况下,结合当前硅烯的研究发展趋势,重点研究了不同掺杂对硅烯性质的影响,并探讨硅烯在未来硅基电子器件的应用前景.     

超电容储能电极材料的密度泛函理论研究

由于量子限域效应和态密度的限制,石墨烯、硅烯等二维材料的量子电容在费米能级附近趋近于零.基于密度泛函理论的第一性原理研究发现,掺杂和吸附使石墨烯等二维电极材料的电子结构得以有效的调制,它促进狄拉克点附近局域电子态的形成和/或费米能级的移动,从而使量子电容得到了提高.比较Ti (Au, Ag,Cu, Al)和3-B (N, P, S)掺杂单空位石墨烯(硅烯,锗烯)的量子电容,发现3-N掺杂单空位石墨烯和Ti原子吸附单空位硅烯、锗烯的量子电容明显得到了提升,量子电容分别为118.42μF/cm2, 79.84μF/cm2和76.54μF/cm2.另外还研究了3-N掺杂三种烯类的浓度效应,随掺杂浓度的增加,量子电容呈增加趋势.通过研究各掺杂体系的热力学稳定性问题,发现Ti是最稳定的吸附原子,因为Ti和C原子之间可以形成强键.在B, N, P, S掺杂单空位硅烯和锗烯中, S是最稳定的掺杂原子,而对于石墨烯, N掺杂的形成能最低,量子电容最高.上述二维电极材料的理论模拟计算为超级电容器和场效应晶体管中的实际应用做出了探索性的工作.     

类石墨烯锗烯研究进展

近年来,伴随石墨烯研究的深入开展,考虑到兼容半导体工业,构筑类石墨烯锗烯并探究其奇特电学性质已成为凝聚态物理领域的研究前沿.本文首先简要介绍了锗烯这一全新二维体系的理论研究进展,包括锗烯的几何结构、电子结构及其调控以及它们之间的关系.理论研究表明,因最近邻原子间距大,锗烯比硅烯更难构筑,实验上构筑锗烯颇具挑战性.针对这一问题,介绍了实验上制备锗烯的一些进展,重点介绍了金属表面外延制备锗烯,并对本征锗烯的制备及其在未来纳电子学器件的潜在应用做出了展望.     

门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质

硅烯是由单层硅原子形成的二维蜂窝状晶格结构,具有石墨烯类似的电学性质,由于硅烯中存在比较强的自旋轨道耦合而备受关注.本文利用非平衡格林函数方法研究了门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质和能带结构.研究发现,只有在较强的门电压下,而且硅烯量子线具有较好的锯齿形或扶手椅形边界而不存在额外硅原子时,硅烯量子线中才存在无能隙的自旋极化边缘态.另外,计算结果表明这种门电压控制的硅烯量子线中边缘态在每个能谷处自旋是极化的.这些计算结果将为实验上利用电场制作硅烯纳米结构提供理论支持.     

铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理

联苯烯单层由碳原子的四元、六元和八元环组成,具有与石墨烯相似的单原子层结构.2021年5月,Science首次报道了该材料的实验合成,引起了科研工作者的极大关注.基于第一性原理的密度泛函方法,研究了铁原子在联苯烯单层的吸附构型并分析了其电子结构.结构优化、吸附能和分子动力学的计算表明,联苯烯单层的四元环空位是铁原子最稳定的吸附位点,吸附能可达1.56 eV.电子态密度计算表明铁3d电子与碳的2p电子有较强的轨道杂化,同时电荷转移计算显示铁原子向近邻碳原子转移的电荷约为0.73个电子,说明联苯烯单层与吸附的铁原子之间形成了稳定的化学键.另外,铁原子吸附于联苯烯单层后体系显磁性,铁原子上局域磁矩大小约为1.81μB,方向指向面外.因此,本文确认了联苯烯单层是比石墨烯更好的铁原子吸附载体且体系有磁性,这为研究吸附材料的电磁、输运、催化等特性提供了新的平台.     

卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

GaAs(111)表面硅烯、锗烯的几何及电子性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 系统研究了硅烯、锗烯在GaAs(111) 表面的几何及电子结构. 研究发现, 硅烯、锗烯均可在As-中断和Ga-中断的GaAs(111) 表面稳定存在, 并呈现蜂窝状六角几何构型. 形成能计算结果证明了其实验制备的可行性. 同时发现硅烯、锗烯与GaAs表面存在共价键作用, 这破坏了其Dirac电子性质. 进一步探索了利用氢插层恢复硅烯、锗烯Dirac电子性质的方法. 发现该方法可使As-中断面上硅烯、锗烯的Dirac电子性质得到很好恢复, 而在Ga-中断面上的效果不够理想. 此外, 基于原子轨道成键和杂化理论揭示了GaAs表面硅烯、锗烯能带变化的物理机理. 研究结果为硅烯、锗烯在半导体基底上的制备及应用奠定了理论基础.     

二维锑烯声子输运的第一性原理研究

二维锑烯作为具有宽带隙的新型半导体材料,在热电、光电等领域具有良好的应用前景。本文利用第一性原理方法研究了不同层数二维锑烯的电子结构、热力学稳定性与声子输运特性.二维锑烯随着层数的增加,原子层弯曲程度减小,电子带隙值下降,呈现了半导体-金属特性的转变.单层锑烯在室温下单位截面积声子热导约为0.190 GW·m~(-2)K~(-1)。由于层间相互作用力的存在以及原子层弯曲程度的改变,声子热导随层数的增加而逐渐减小,四层锑烯的声子热导已经接近块体锑的声子热导。     

单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质,现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点.单层硅烯在不同的衬底制备温度下,表现出丰富的超结构,这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板.利用原位硅烯薄膜制备,分子沉积,超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱,本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4×4),(■×■),(2■×2■))的电子态结构,表面功函数随超结构的变化,以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为.研究结果表明,这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构,且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性,从而导致硅烯的表面功函数增大,表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用.此外,还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.     

无序碳单层的电子结构及氢原子吸附的第一性原理

本研究运用第一性原理计算方法,系统地研究了无序碳单层材料不同位点的电子结构及其析氢性能.计算结果显示无序结构中的C-C键相比于石墨烯中的C-C键在26.7%的范围内有不同程度的拉伸或压缩,使得C原子电荷在-0.17～+0.16个电子范围内变化,导致部分C原子电子局域化.电子的局域化增强了C原子的化学活性,从而表现出了较强的吸附性能.我们发现H原子与C原子的键合及析氢性能与C原子间的键角相关.对于三配位的碳原子,其中三个价电子通过sp~2杂化轨道与最邻近的碳原子结合形成较强的共价键,而余下的一个p_z轨道电子可以与H原子在垂直于原子层的方向形成较弱的化学键.无序结构可以打破三个sp~2杂化轨道的对称性,进而影响p_z轨道与氢的成键.本研究在一定程度上揭示了单层无序碳材料结构-性能的构效关系,为实验上设计特定性能的无序碳功能材料提供理论指导.     

GeH/π层间弱相互作用调控锗烯电子结构的机制

锗烯是继石墨烯、硅烯发现以来最重要的二维纳米材料之一, 以其优异的物理化学性质迅速得到人们的广泛关注. 然而, 锗烯具有的零带隙能带特点(狄拉克点)极大程度地限制了其在微电子纳米材料方面的应用. 本文采用范德华力修正的密度泛函计算方法, 研究了锗烯、锗烷、锗烯/锗烷的几何和电学性质. 研究发现, 锗烯和锗烷可以通过弱相互作用形成稳定的双层结构, 并在锗烯中打开一个85 meV的带隙. 电子结构分析表明, Ge-H/π 的存在破坏了锗烯子晶格的对称性, 从而在狄拉克点上打开一个带隙. 差分电荷密度图分析表明有部分电荷从H原子的s轨道转移至Ge的p_z轨道. 该电荷转移机制增强了锗烯与锗烷之间的相互作用力, 是形成锗烯/锗烷双层二维纳米结构的主要原因. 进一步研究还发现, 锗烷/锗烯/锗烷的三明治结构无法在锗烯中打开带隙. 这是由于两侧的锗烷对夹层的锗烯作用力等价, 无法破坏锗烯的子晶格对称性, 所以无法打开锗烯带隙. 最后, 所有计算结果都在高精度杂化密度泛函HSE06计算精度下得到进一步验证. 因此, 本文从理论上提出了一种切实可行的打开锗烯狄拉克点的方法, 为锗烯在场效应管和其他纳米材料中的应用提供了理论指导.     

纳米尺度硼烯与石墨烯的相互作用

硼烯作为一种性能优异的二维材料,其界面动力学行为值得探讨.本文采用解析法研究了石墨烯与六方氮化硼(h-BN)以及一种硼烯之间的相互作用.结果表明,石墨烯在六方氮化硼上滑动时, C原子和B原子之间的相互作用弱于C原子和N原子之间的相互作用.石墨烯与硼烯界面间的势能起伏明显小于石墨烯和六方氮化硼之间的势能起伏,表明其界面摩擦力可能更小.此外,石墨烯从硼烯上滑出时拉出力较小,其边界效应更弱,因此硼烯有望成为一种摩擦性能优异的二维材料.     

二维材料外延生长的原子尺度机理:特性与共性

自首次从石墨中剥离出石墨烯以来,只有原子级厚度的层状(或二维)材料因其丰富奇特的物性占据着当今凝聚态物理和材料科学的中心舞台。不断扩大的二维材料家族,包括石墨烯、硅烯、磷烯、硼烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、甚至强拓扑绝缘体等,不仅每个成员有其鲜明的个性,如独特的物性与制备方法,而且整个大家族又有其共性,如单层材料与衬底之间、层与层之间几乎都是依赖弱的范德瓦尔斯力耦合在一起。对任一个二维家族成员的深层理解,都可能对真正走进这一大家族有普适性价值。文章首先介绍范德瓦尔斯层状材料非平衡外延生长中常常遇到的主要原子过程和相应的形貌演化;进一步讨论范德瓦尔斯相互作用在二维材料横向或垂直堆叠的异质结中的重要性。在原子尺度的生长机理之外,也围绕二维材料的物性优化与功能化简要介绍一些最新进展,具体例子覆盖光学、电学、自旋电子学、催化等领域。     

石墨烯在光纤激光器中的应用

正1.引言石墨烯是一种由单层碳原子与其相邻原子通过SP2杂化方式紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的新型碳质材料,已被证实可以应用于近红外及中红外波段的可饱和吸收体材料。目前该材料在光纤激光器中应用广泛,2004年,诺沃肖罗夫(K.Novoselov)等人首次采用机械剥离制备出具有单层结构的二维石墨稀材料,由于其优越的高比表面积、超高载流子迁移率、机械性能好等物理化学特性,已在光电     

线缺陷对硅烯力学性能的影响

硅烯是一种类似石墨烯的二维硅,由于其与石墨烯类似的电子特性以及与现有半导体技术的兼容性而引起了人们的广泛关注。采用基于分子动力学理论的Forcite模拟软件包对含不同条数、不同位置的线缺陷硅烯薄膜的超晶胞体系进行优化,并计算和分析了其力学性能。结果表明：随着线缺陷位置的变化,硅烯薄膜的拉梅常数、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量变化趋势基本吻合,说明硅烯的力学性能受线缺陷位置影响不敏感;伴随着线缺陷条数的增加,五环和八环密度升高,硅烯薄膜力学性能拉梅常数、泊松比、体积模量和剪切模量变化幅度小,影响不大,而扶手椅方向的杨氏模量线性增加,锯齿型方向的杨氏模量线性减小。     

硅烯的化学功能化

硅烯是一种零能隙的狄拉克费米子材料,对其能带结构的有效调控进而打开带隙是硅烯进一步器件化的基础.而化学功能化是调控二维材料的结构和电子性质的一种有效方法.本文简要介绍了近几年在硅烯的化学功能化方面取得的进展,主要包括硅烯的氢化、氧化、氯化以及其他几种可能的化学修饰方法.     

通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备

氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp~3杂化结构向短寿命sp~2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.