物理所单层硅烯的低温动态相变及超导电性研究取得进展

　　硅与碳同属于元素周期表的IV族元素。理论工作表明，硅烯具备与石墨烯类似的狄拉克型电子结构，其布里渊区同样有六个线性色散的狄拉克锥。由此，很多在石墨烯中发现的新奇量子效应，都可以在硅烯中找到相对应版本。而且，硅烯还具备石墨烯没有的一些优势，例如硅烯的非共面结构使得硅烯具有更强的自旋轨道耦合，能在狄拉克点能打开更大的能隙，从而实现可观测的量子自旋霍尔效应。硅烯还被认为是二维拓扑绝缘体，其能带结构能被外加的电场和磁场调制，出现量子反常霍尔态、谷极化金属态(valley-polarized metal phase)、拓扑相变等新奇量子现象。硅烯有着与石墨烯相似的电子结构和电学性质，也可应用于以前构想的基于石墨烯的器件中。此外，硅烯可以更好地与目前的硅技术相融合，更有利于大规模集成电路的生产。

　　2012年初，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理国家重点实验室吴克辉研究员、陈岚副研究员等第一次在Ag(111)表面上利用分子束外延方法生长出了硅烯，观测到单层硅烯在Ag(111)上表现为√3×√3的蜂巢状结构，同时验证了该结构具有Dirac型电子态【PRL 109, 056804(2012);Nano Lett. 12, 3507(2012)】。此外，有报导在ZrB2和Ir(111)表面上生长出的硅烯也具有√3×√3的重构结构。由于√3×√3的蜂巢状结构是一种非公度结构，一直缺乏完美的模型去解释其原子结构和Dirac电子态的来源。

　　近期，吴克辉研究员、陈岚副研究员等进一步发现了硅烯的√3×√3蜂巢状结构在低温下会发生自发对称破缺，展现出两种镜像对称的三角形结构(图1a)，相同结构的三角形晶格会形成大面积的晶畴，相邻晶畴之间会形成清晰的畴界。该相变行为展示出硅烯和石墨烯的不同，同时为理论理解这一结构提供了新思路。该实验室孟胜研究员、李晖副研究员、博士生丁子敬等对该体系进行了细致的理论研究。他们认为硅烯与银衬底的作用应该介于范德华弱作用力和化学吸附强作用之间，而传统DFT计算方法对这类非化学键作用的描述并不准确。为此，他们使用近年来发展的范德华修正密度泛函方法计算硅烯的重构结构，发现硅烯在低温下自发形成两种镜像对称且能量简并的√3×√3三角形结构(图1b, 2c)。这两个三角形低温相之间的转换势垒小于30meV每原子(图1d)，这意味着微小的热扰动都能导致两个低温相之间会发生快速自由转变，使得在较高温度下STM扫描只能看到两种低温相的叠加形态，即√3×√3的蜂巢状结构。这项工作不但完美解释了硅烯的非公度√3×√3重构，而且指出这种相与衬底作用较弱，近似于自由硅烯，能更好的保持硅烯本身独特的物理特性。更特别的是与以往理论预言硅烯的1×1蜂巢结构相比，√3×√3重构相有着更大的翘曲程度，这使得其电子结构中除了保持Dirac锥外，在Dirac点处还会打开一个比较大的能隙(150meV，见图1e)，这无疑对硅烯在电子器件中的应用极为有利。硅烯结构的复杂性也揭示了通过结构改性来调控硅烯电子结构的可能性。

　　该工作发表在Phys. Rev. Lett. 110, 085504 (2013)。参与这些工作并做出重要贡献的还包括冯宝杰、邱静岚等研究生以及程鹏博士后。

　　硅烯的奇特之处不止于此。最近，吴克辉研究员、陈岚副研究员和博士生冯宝杰通过低温扫描隧道谱研究硅烯的电子结构时发现，在4k温度下硅烯的费米面处有一个约70meV的能隙 (图2a)。该能隙相对费米能级对称，在能隙边界处有明显的相干峰，且该能隙随着温度升高有明显的变小趋势，直至40K时完全消失。其变化特征与超导能隙极为吻合，在排除了其它几种可能性后，他们初步认为该能隙是由硅烯在低温下的超导态产生的，超导转变温度在35K-40K之间(图2b)。这个发现如果被证实，将是硅烯研究领域里程碑式的发现。该论文在arXiv上张贴后，引起了国际上很大反响，目前已经发表在Appl. Phys. Lett. 102, 081602(2013)。

图1. (a)5K温度下高分辨单层硅烯的STM图像。(b)，(c) DFT计算得到的在Ag(111)表面的硅烯√3×√3重构相。蓝色大球为银原子，黄色小球为低位硅原子，红色球为高位硅原子。(d) 两种低温相之间的转换势垒。(e)硅烯√3×√3结构的能带结构。

图2. (a)5K温度下得到的硅烯的STS谱，在费米面处可以看到70meV的能隙。(b)硅烯随温度变化的STS谱，可以看到能隙在40K左右消失。