矽烯與Ag表面的作用機理及其生長機制

《矽烯與Ag表面的作用機理及其生長機制》是依託山東大學，由魏巍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽烯與Ag表面的作用機理及其生長機制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：魏巍
• 依託單位：山東大學

中文摘要

矽烯是一種新型的狄拉克費米子電子體系，具有許多新穎的物理、化學性質，在電子、光電子和量子等領域有巨大的套用潛力。目前，矽烯的研究中存在一個亟需解決的基本問題，即矽烯與金屬Ag（111）襯底的作用機理及其生長機制。儘管實驗上聲稱觀測到了矽烯的六角蜂巢狀二維結構及其載流子的無質量狄拉克費米子行為，但是實驗結果相互衝突，存在諸多疑問，對這一基本問題沒有一致的結論。本申請從矽烯生長過程的初始階段出發，研究矽原子和矽原子納米糰簇在金屬Ag (111)表面上的吸附、遷移和生長過程，考慮矽原子覆蓋率和襯底溫度的影響，進而研究矽烯與金屬Ag（111）表面的作用機理及其生長機制。本申請的研究結果對實驗上合成高質量矽烯，正確理解矽烯性質和發掘其套用價值具有重要的指導意義。

結題摘要

矽烯是由矽原子構成的二維六角蜂巢狀結構，其能帶結構顯示有和石墨烯一樣的狄拉克錐形成，從而受到廣泛關注。目前，矽烯在實驗上主要通過在過渡金屬表面生長製備而成。由於晶格匹配和不相溶的原因，通常選擇Ag(111)表面來生長矽烯。除了Ag(111)之外，金屬Ir(111)也被用來製備二維矽烯單層結構。我們研究了矽原子和矽原子團簇在Ir(111)表面的吸附和電荷轉移情況，發現Ir(111)可以保持矽烯的二維連續性並且和矽烯之間存在較強的化學鍵作用。但是Ir(111)對矽烯褶皺結構和能帶特徵影響較大，破壞了其線性能帶結構特徵。矽烯在Ag(111)表面可以形成多種超結構，例如4×4、2√3×2√3R30°和√13×√13R13.9°等，這依賴於實驗合成溫度等條件。我們研究了實驗上常見的4×4矽烯/Ag(111)超結構，發現矽原子電子態的線性特徵被破壞掉，而電子態受影響較小。但是矽原子電子態和電子態之間會發生再雜化作用，這些再雜化的電子態和Ag原子的電子態發生雜化，而這個雜化態正是實驗上觀察到的線性能帶的起源。在不同的超結構中，這個特徵是一致的。氧化和氫化是調製矽烯電子結構和實現其套用的關鍵步驟。氧原子傾向於和兩個相鄰矽原子形成Si-O-Si鍵，而且矽烯傾向於最大程度吸附氧原子。熱力學結果顯示，隨著溫度的升高，氧原子仍會保持在矽烯上較強的吸附。同時，氧原子的吸附並不會明顯改變矽烯和Ag(111)之間的耦合作用特徵，這為解釋實驗上線性能帶的原因提供了新的參考。Ag(111)上的矽烯在被氫化之後形成了1×1周期性的half-silicane結構。在合適的溫度下（500 K），氫原子會從矽烯上解吸附，這表明Ag(111)上的矽烯可用於儲氫。我們還研究了和矽同一主族的鍺原子單層結構即鍺烯與過渡金屬Ag(111)和Cu(111)之間界面耦合作用特徵。發現鍺烯和這兩種金屬之間存在化學鍵作用，但依然可以保持其二維特性，證實了這兩種金屬可作為鍺烯生長的襯底。較強的成鍵作用破壞了鍺烯的結構對稱性和電子結構，但雙層鍺烯和Cu(111)的界面效用表明和金屬接觸的鍺原子單層可用作緩衝層來減弱上面一層鍺烯和金屬之間的耦合作用以保持其電子性質。