Science Advances：固體熔融剝落產生的原子級薄鎵層

【引言】

從石墨中分離石墨烯促進了分層二維材料作為二維納米電子構建模塊的研究，許多層狀材料的六方晶體結構，各層通過弱范德華力保持在一起有助于易于提取或生長穩定的單層。然而，與石墨烯不同的是這些材料中強烈的自旋軌道相互作用和屈曲結構使它們具有拓撲絕緣體相，這可以產生無耗電傳導并支持量子自旋霍爾態。簡而言之，二維材料研究始于石墨烯的分離，但它已經為開發可超越石墨烯的研究和工業應用提供了新型納米平臺。

【成果簡介】

近日，來自賴斯大學的Vidya Kochat（通訊作者）和Atanu Samanta（共同通訊作者）在Science Advances發表了題為Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation的論文，報道了在硅襯底上原子級的“g烯”薄片的穩定性并實現成功剝離，其在原始α-鎵的雙晶結晶方向上具有兩種不同的原子排列。由于鎵的固相和熔融相之間的界面較弱，開發了固熔界面剝離技術來分離這些層。“g烯”的電子能帶結構顯示了部分填充的狄拉克錐和費米能級附近的非線性色散帶的組合，表明“g烯”應該表現為金屬層。此外，“g烯”與其他2D半導體的強烈相互作用誘導后者中的半導體至金屬相轉變，為在二維器件中使用“g烯”作為金屬接觸鋪平了道路。

【圖文導讀】

圖1：“g烯”多晶型物的晶體結構

A:α-Ga的晶體結構；?

B:如綠色平面所示，從塊體α-鎵沿（010）方向劈開后得到的單層加勒烯結構；

C:如紅色平面所示，從塊狀α-鎵沿（100）方向劈開后得到的單層“g烯”結構，松弛后形成蜂窩結構，單層結構的單位單元用虛線矩形紅色框表示，a和b是結構的單元參數，鍵長和鍵角分別用δ和α表示。

圖2：DFT計算穩定性和“g烯”多晶型物的能帶結構?

A-B:分別為a₁₀₀和b₀₁₀的6％和2％均勻應變單層的聲子色散；

C:沿（i）y方向和（ii）x方向的b₀₁₀的2%應變結構的ELF和a₁₀₀（iii）單層的6%應變結構；

D:每個原子相對于最低能量結構的總能量作為均勻應變的函數，插圖顯示△E表示較小的應變范圍；

E-F:將費米能設置為0eV的穩定（應變）的a₁₀₀和b₀₁₀單層的軌道投影帶結構，狀態的總密度（DOS）和局部態密度。

圖3：“g烯”的固體剝落

A:掃描電子顯微鏡內部的平面沖壓壓頭實時成像加勒烯脫落的快照以及相應的壓裂原子圖；

B:通過原位壓縮和拉伸試驗對SEM內熔融鎵獲得的載荷-位移曲線，插圖揭示了在壓頭拉伸和壓縮載荷過程中的SEM圖；

C:固體熔融剝離技術的示意圖；

D:在SiO₂晶片上的鎵片的光學圖；

E:沖壓技術示意圖；

F:各種襯底上的角撐片脫落的AFM圖。

圖4：“g烯”薄膜的表征

A:頂部：SiO₂襯底上的SEM圖，底部：轉移的膜與SAED的TEM圖；

B:XPS數據顯示在結合能為1117.0eV和1143.0eV的兩個強峰，其分別對應于金屬鎵的2p_3/2和2p_1/2態；

C:（i）I-V特性，（ii）在較高電流下擊穿“g烯”裝置的I-V曲線，插圖顯示擊穿后Ga膜的AFM圖；

D-E:明亮場TEM圖像（i）以及SAED圖案（ii）和HRTEM圖像（iii）分別對于“g烯” b₀₁₀和a₁₀₀片。

圖5：底物對加勒烯的影響

B: “g烯”與襯底（Si，Ag，SiO₂和GaAs）的相對相互作用；

C:頂部：大塊鎵和超薄“g烯”片材的吸收光譜。底部：在兩種不同襯底上的吸收光譜；

D:原始MoS₂和MoS₂下面的拉曼和PL光譜，（iv）顯示鎵下面的MoS₂區域的XPS譜。

【小結】

該團隊采用理論和實驗相結合的方法證明了沿著（010）和（100）方向的具有不同原子排列的穩定性。觀察到的“g烯”結構與理論預測的結構之間的一一對應關系并揭示了穩定的二維“g烯”片的形成。他們使用固體熔融剝離技術萃取“g烯”片的新技術進一步擴展到剝落低熔點純金屬和合金的其他金屬。而且能夠使用“g烯”接觸將MoS₂從半導體轉變為金屬相，從而為器件提供更好的2D接觸。他們的研究結果表明，“g烯”還可以在等離子體激元，傳感器和電觸點的二維金屬中得到廣泛的應用。

文獻鏈接：Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation（Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.1701373）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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