石墨烯的发现以及其具有的独特性质和应用价值激发了人们对其他二维材料的研究热情。其中由第V主族元素构成的单层材料由于具有较大的带隙、高的载流子迁移率以及“非平庸”的拓扑性质等特点,非常适合应用于下一代电子器件之上。单层锑烯(Antimonene)近年来被理论预言为具有宽带隙的半导体材料,同时具有高载流子迁移率、高热导电性以及电学性质易于调控等特性,引起了人们的广泛研究。
然而,目前实验上制备高质量锑烯的工作鲜有报道,进一步实现材料结构和物性的调控更加困难。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室高鸿钧院士领导的研究团队多年来一直致力于新型二维晶体材料的制备、物性与应用基础研究,取得了一系列重要研究成果。
早前,他们在二碲化钯衬底上成功制备了大面积高质量的单层锑烯,具有与自由锑烯类似的翘曲蜂巢状结构和晶格周期,并且有着良好的化学稳定性。最近,为了进一步对单层锑烯的结构物性进行调制,该组博士生邵岩、刘中流(共同第一作者)和王业亮研究员(共同通讯作者)等,利用衬底与锑烯之间的晶格失配,成功在Ag(111)单晶表面外延生长了平面蜂窝状结构的单层锑烯。
已有理论研究表明,通过施加应力可以改变锑烯的晶格结构,进而调制其电子特性,拓展其应用领域。但在实验上如何实现对薄膜材料施加应力一直是一个难题。
由于衬底与薄膜材料之间的晶格不匹配可以实现对薄膜材料施加应力,在具体的实验设计中,他们选取了Ag(111)单晶作为衬底,其晶格常数为2.89Å,自由锑烯的晶格周期为4.10Å,衬底与薄膜晶格周期上的不匹配有利于对锑烯施加应力,从而产生对锑烯晶格结构的调制;同时,Ag(111)单晶也具有六重对称性,表面性质稳定,易于获得高质量的薄膜材料。
该工作通过衬底与薄膜之间的相互作用,实现了平面结构高质量锑烯的制备,为锑烯结构和性质的调制提供了新的研究方法;同时,平面锑烯在电子结构上出现了新的拓扑边界态,使其具备了在拓扑相关方面的应用潜力,大大拓展了材料未来的应用领域。