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2018年12月28日
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物理学院李绍春课题组首次制备出大面积具有黑磷结构的Sb单层

近日,物理学院李绍春教授课题组利用分子束外延技术首次生长出大面积高质量的黑磷结构(alfa相)的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对结构性质进行了表征,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教授课题组合作进行了第一性原理计算。该工作以“Van der Waals Heteroepitaxial Growth of Monolayer Sb in Puckered Honeycomb Structure”为题于2018年12月5日在线发表于Advanced Materials(https://doi.org/10.1002/adma.201806130),并被选为封(底)面文章。pt老虎机游戏物理学院博士生石志强和中科大博士生李慧平为论文的共同第一作者;李绍春教授和朱文光教授作为该工作的共同通讯作者。

由于在光电器件领域的潜在应用价值,单层二维材料的研究是近年来凝聚态领域的研究热点。黑磷由于具有独特的特性曾一度受到关注。然而,黑磷在空气中不稳定,很容易分解。人们一直致力于寻找结构和性质与黑磷类似,但是化学稳定的替代材料。由于As和Sb与P处于同一主族,如果存在黑磷结构,可能会具有相似的性质,化学性质也可能会更稳定。迄今为止,单层的黑磷一直是通过机械剥离的方法获得,直接生长单层黑磷或者相似结构的其它单质材料在实验上几乎不可能。虽然已经有大量的计算工作对黑磷结构(alfa相)的单层Sb进行了预测,但是实验上还没有合成出高质量的单层alfa相Sb。其中一个重要的原因是alfa相的Sb体材料在自然界中并不存在。

该课题组通过分子束外延技术,成功地在WTe2衬底上制备出微米尺度的高质量单层alfa相Sb。单层alfa相Sb的成功制备得益于巧妙地利用了衬底的完美晶格匹配作用。扫描隧道显微镜(谱)测量显示多层的Sb薄膜仍然可以保持alfa相的结构。借助于扫描隧道显微谱的准粒子干涉测量技术,该课题组对单层Sb的能带结构进行了表征,发现在费米面处存在线性的色散关系。实验结果与第一性原理的计算结果符合的很好。实验上还发现alfa相Sb薄膜具有非常好的电导。令人意外的是,单层的alfa相Sb非常稳定,可以在空气中存在而不被氧化或分解。因此这种alfa相的Sb单层材料有望在未来的光电领域具有应用价值,更多的新奇性质有待进一步研究。

图一: 在WTe2衬底上生长的Afla相Sb单层和多层. (a) Sb外延在WTe2上的示意图; (b) 扫描隧道显微镜形貌图; (c,d) 原子分辨形貌图; (e) 从单层到多层Sb的dI/dV谱; (f) Sb薄膜的拉曼光谱测量结果。

图二: 单层Sb薄膜的准粒子干涉实验. (a) 实验测得的结果; (b) 理论计算的等能面; (c)理论模拟得到的JDOS图; (d,e) 实验测量获得的费米面附近的能量色散关系.

感谢物理学院陈延彬教授课题组提供了WTe2衬底样品和电输运性质的测量。感谢物理学院高力波教授课题组提供了原子力显微镜测量和拉曼测量。第一性原理计算由中国科学技术大学的朱文光教授课题组完成。该工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、双一流建设,科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划和六大人才高峰等项目的资助。

(物理学院 科学技术处)