中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N04組供稿
第68期
2022年08月24日
新型二維原子晶體材料Si9C15的構筑

  碳元素與硅元素同屬第四主族,其原子最外層有四個未配對電子,可形成四根共價鍵。例如金剛石與單晶硅分別是碳原子和硅原子以sp3雜化方式與臨近的四個原子成鍵形成的穩定結構。原則上,碳原子和硅原子可以以任意的比例互換,組成SixCy的一大類具有閃鋅礦結構的晶體材料。理論預言表明,二維的SixCy晶體可以以蜂窩狀結構穩定存在,隨著碳硅比例的不同具有大范圍可調節的帶隙,從而產生豐富的物理化學性質,引起了研究人員廣泛的關注。

  然而,自然界中的硅原子并不喜歡sp2雜化方式的平面二維結構,碳硅化合物晶體多數不存在像石墨一樣的層狀體材料。因此,常規的機械剝離方法并不適用于制備二維碳化硅材料。已有的實驗報道包括利用液相剝離和掃描透射電子顯微鏡電子束誘導等手段獲取準二維SiC和SiC2材料,然而這些材料存在著厚度不均一、尺寸太小以及無法集成等問題。因此,發展一種新的實驗手段獲取高質量、大尺寸的單晶二維碳化硅材料具有重要意義。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室高鴻鈞研究團隊利用組內自主設計研發的分子束外延-低溫掃描隧道顯微鏡聯合系統,對石墨烯硅插層技術進行了優化,并將其應用于二維碳化硅材料的構筑,成功在釕和銠兩種單晶表面生長出大面積、高質量、單晶的單層Si9C15材料。他們首先在金屬釕(銠)單晶表面生長獲得高質量單層石墨烯,然后在石墨烯上沉積過量的硅,在1400 K高溫下退火得到了厘米量級的單層碳化硅材料(圖一)。他們進一步結合掃描隧道顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜等表征手段和第一性原理計算,確定該二維材料是組分為Si9C15的翹曲蜂窩狀結構(圖二,圖三)。蜂窩狀結構由碳-碳六元環和碳-硅六元環組成,每個碳-碳六元環被十二個碳-硅六元環所包圍。掃描隧道譜顯示該二維材料表現出半導體特征,能隙為1.9eV(圖四)。值得一提的是,單層Si9C15晶體具有較好的空氣穩定性。制備的二維單晶樣品在直接暴露空氣72小時后重新傳入超高真空腔體,在870 K退火1小時之后可以看到晶體結構幾乎沒有受到破壞(圖五)。

  該項研究首次獲得了大面積、高質量的單晶二維碳化硅材料。計算結果還顯示在不同晶格常數的金屬單晶襯底上有可能生長出不同碳硅比的二維材料,揭開了利用外延生長獲取二維碳化硅材料的序幕。相關成果以“Experimental realization of atomic monolayer Si9C15”為題發表于Advanced Materials上。該工作與中國科學院大學的周武教授和國家納米中心的張禮智研究員進行了合作。博士高兆艷、博士生徐文鵬、博士后高藝璇和博士后Roger Guzman為論文共同第一作者,李更、張禮智、周武和高鴻鈞為共同通訊作者。該工作得到科技部(2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2018YFA0305800)、國家自然科學基金(61888102,51991340,52072401)、中國科學院(YSBR-003)和北京杰出青年科學家計劃(BJJWZYJH01201914430039)等的支持。

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204779


圖一:單層Si9C15材料的獲取。


圖二:二維Si9C15材料的原子構型


圖三:STEM圖像證實二維Si9C15材料的存在。


圖四:二維Si9C15材料的電子結構。


圖五:二維Si9C15材料具有較好的空氣穩定性。