【引言】

作為石墨烯的二維類似物，硅烯最近成為科研人員廣泛研究的材料。理論上預(yù)測的硅烯和基于硅烯的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)雖然具有令人感興趣的物理性質(zhì)，但是由于硅烯在空氣中易于氧化，目前來說，在實(shí)驗(yàn)上制備此類器件仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。

【成果簡介】

近日，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞、杜世萱（共同通訊）等研究人員通過硅插層方法成功制備了石墨烯/硅烯范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。密度泛函理論計(jì)算顯示石墨烯和硅烯層之間的相互作用較弱，證實(shí)了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。他們首先在Ru(0001)襯底上生長石墨烯層，并在其下插入硅原子以構(gòu)筑硅烯。同時(shí)，他們通過控制硅的量，在石墨烯下制備不同類型的硅烯納米結(jié)構(gòu)并通過掃描隧道顯微鏡（STM）成像分析。在低劑量下，在石墨烯摩爾圖案的頂部（atop）區(qū)域下周期性排列的硅烯納米片段陣列是一種新型的本征圖案化的二維材料；而在較高劑量下，插入的Si形成硅烯單層。在更高的Si劑量下，在石墨烯和基底之間則形成多層硅烯。將所制備的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在環(huán)境條件下暴露兩周，沒有顯示出可觀察到的損壞，表明了其良好的空氣穩(wěn)定性。該研究發(fā)表于Advanced Materials，題為“Stable Silicene in Graphene/Silicene Van der Waals Heterostructures”。文章第一作者為物理所李更。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 在石墨烯/Ru(0001)界面處的硅烯結(jié)構(gòu)形成示意圖

在退火過程中，沉積的Si原子插入到石墨烯和Ru基底之間。Si含量較小時(shí)，Si原子在頂部區(qū)域下方形成蜂窩狀硅烯納米薄片。隨著Si嵌入的增加，形成硅烯單層和多層。

圖2. 硅烯納米薄片的形成

（a）STM形貌顯示Si插層后的石墨烯/Ru(0001)結(jié)構(gòu)。插圖為（a）的放大圖像。（b，c）分別為在-0.5V和-0.1V的不同偏壓下在相同區(qū)域得到的原子級分辨率圖像。（d）在atop位下方插層26個(gè)Si原子的原子結(jié)構(gòu)模型。（e，f）分別為（d）中的模型在-0.5V和-0.1V的樣品偏壓下通過第一性原理計(jì)算模擬的STM圖像。

圖3. 單層硅烯的形成

（a）封裝在石墨烯和Ru(0001)之間的單層硅烯的STM圖像。（b）為完整碳原子晶格的原子分辨率圖像。（c）(7×7)Ru(0001)/(√21×√21)硅烯/(8×8)石墨烯構(gòu)型的弛豫原子模型的頂視圖和側(cè)視圖（超晶格元胞由紅色菱形標(biāo)記）。（d）（c）中構(gòu)型的第一性原理模擬STM圖像。

圖4. 石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子局域函數(shù)（ELF）計(jì)算和輸運(yùn)特性

（a，b）硅原子平面上的硅烯納米片和單層的ELF圖。c）在105 K下測量的石墨烯/硅烯/釕垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電流-電壓曲線，顯示典型的肖特基樣整流行為。插圖是樣品結(jié)構(gòu)和測量的示意圖。 d）伏安曲線的對數(shù)圖。通過將其與Schockley模型擬合，可以得到 ~1.5的理想因子。

【小結(jié)】

本項(xiàng)研究表明，通過精確控制Si和石墨烯之間的插層過程，可以實(shí)現(xiàn)不同類型的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)：硅烯納米片陣列和硅烯單層和多層。STM表征和DFT模擬都明確地支持觀察到的結(jié)構(gòu)。石墨烯和硅烯之間的相互作用屬于范德瓦爾斯型，如ELF計(jì)算所證明。所展示的這些結(jié)構(gòu)的空氣穩(wěn)定性在將來的硅烯器件制造中將是有用的。對垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的測量確實(shí)顯示出明確定義的肖特基整流行為，表明生長的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)代表了一類新興的穩(wěn)定和功能性二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究人員也注意到制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然與金屬釕襯底鍵合，這限制了其實(shí)際應(yīng)用，而在未來，進(jìn)一步將異質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到絕緣基板上的研究則是很有必要的。

文獻(xiàn)鏈接：Stable Silicene in Graphene/Silicene Van der Waals Heterostructures(Advanced Materials，2018, DOI: 10.1002/adma.201804650)