Nature子刊：最新展望 二維X-烯材料

【引言】

二維X-烯（Xene），包括硅烯（silicene）、鍺烯（germanene）、錫烯（stanene）等，是一類新型的二維電子材料。與石墨烯（graphene）相比，它們也是蜂窩狀排列的二維晶體，但具有非平面的原子結構和更大的元素質量，因而具有強很多的自旋-軌道耦合，能表現出超越石墨烯的獨特物理性質，是研究低維量子物理和新奇拓撲效應的理想材料體系。

【成果簡介】

德州大學奧斯汀分校Deji Akinwande（通訊作者）和IMM-CNR的Alessandro Molle（通訊作者）等人在Nature Materials上發表題為“Buckled two-dimensional Xene sheets”的“展望”（Perspective）文章，綜述了二維X-烯相關的最新的重要理論與實驗進展，重點介紹了以錫烯為代表的拓撲量子材料及其在新奇物態和新型器件等方面的探索工作，并對未來研究作展望。

【圖文導讀】

圖1 2D-X烯材料的發展歷史

關于2D X-烯的關鍵實驗發展概述。圖中時間線上的藍色文字和紅色文字分別表示2D-X烯材料的合成和器件集成方面的重大進展；

A、自由獨立的2D X-烯材料晶格的原子配置；

B、硅烯在Ag(111)襯底上的外延生長，其STM研究表明在Ag(111)襯底外延的硅烯具有多相特征；

C、X-烯薄片的首次化學剝離：鍺烯的拓撲剝離；

D、金屬鋁襯底上的鍺烯，STM成像和從頭計算法模擬結果；

E、硅烯晶體管的制備：通過分子束外延技術在可分離Ag-云母襯底上生長硅烯，并在其上表面沉積氧化鋁保護層，然后，分離Ag-云母界面，獲得氧化鋁-硅烯-Ag三明治薄片，并將其轉移到氧化硅襯底上，通過電子束圖形化工藝制備出硅烯場效應晶體管；

F、錫烯在Bi2Te3襯底上的外延生長STM表征。

表1 2D X-烯的性質

自由獨立2D X-烯的計算結構參數，是通過基于密度泛函理論的第一性原理計算預測的（左邊）；在襯底上的外延X烯結構參數，是通過實驗和理論計算獲得（右邊）； 四列參數符號分別是晶格常數、原子間距、褶皺參數和SOC產生的能帶間隙。

圖2 納米電子學中的拓撲轉換

A、2D X-烯晶格的俯視示意圖：邊緣處的綠色箭頭表明了量子自旋霍爾態展現出的螺線電流方向；

B、2D X-烯的分子軌道和原子結構的側視圖，及有自旋軌道耦合（紅色實線）和無自旋軌道耦合（黑色虛線）的最低能帶示意圖；

C、通過錫烯的共價功能化誘導晶格常數導致能帶間隙變化； ? ? ? D，拓撲相圖。

圖3 基于對稱性破缺的拓撲比特和新物理現象

A、不同錫烯納米帶沿著1D布里淵區的能帶結構示意圖，及其發生拓撲相變的能帶結構示意圖；

B、電場、壓力和拉力驅動的TI-FET形狀變化示意圖；

C、對稱性破缺誘導的量子自旋霍爾態和新物理的應用，包括A-B次晶格對稱，反演對稱P，時間逆對稱T和測量對稱U。

【小結】

由于其具有眾多優點，2D X-烯有望為研究具有多重物理現象材料的基礎特性和應用提供十分恰當的納米技術平臺。本征和功能化的X-烯具有多種多樣的材料性質，在為電子學，自旋電子學，光學，熱血，能源，機械，化學和傳感器納米系統中，設計有效的，迫切需求的或者可重構的器件提供了很大的自由度。然而，目前，關于X-烯的研究還有很多工藝和技術問題未被解決，其中，空氣中的不穩定性是最需要解決的問題。盡管如此，最近報道的技術和合成方法對探索2D-X烯的獨特拓撲現象及其新型器件的設計有很大的推動促進作用。

文獻鏈接：Buckled two-dimensional Xene sheets（Nature Materials, 2017, DOI:10.1038/nmat4802）

本文由材料人電子電工學術組靈寸供稿，材料牛整理編輯。

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