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中澳科学家联合攻关,在硅烯研究中取得突破


发布时间:2016-08-17    来源:物理学院    点击量:



自石墨烯被制备并于2010年获得诺贝尔物理奖以来,全世界对二维层状材料的关注持续升温。其中,可用于下一代高性能晶体管的二维材料备受关注。然而,目前已知的绝大多数二维材料并不合适作为下一代高性能晶体管材料。例如,石墨烯尽管具有很高的电子传输速度,其独特的零带隙电子结构限制了通过外加电压实现电流开关功能(即无法实现晶体管所需的逻辑运算功能)。此外,石墨烯作为碳材料,难以和现有的硅基半导体工业相结合。

硅烯是由硅原子组成的、类似于石墨烯的单层原子晶体。硅烯除了具有和石墨烯一样超高电子传输速率、极薄以及透明柔软特性之外,其能隙更易于打开和调控。最重要的是,作为硅材料,硅烯器件有可能利用现有的成熟硅基半导体工业手段生产。因此,科学家预言硅烯是最合适制作下一代高性能低能耗晶体管的理想材料之一。它的应用将掀起新一轮的电子设备革命。

尽管上世纪90年代就有理论计算预测了硅烯的可能存在,直到2012年科学家才在实验室中采用分子束外延生长技术在金属基底上成功制备出硅烯,并于2014年实现了硅烯的场效应晶体管原型器件。然而,硅烯在由实验室走向工业化应用的道路上依然面临着很多的技术困难。其中最大的挑战在于:如何将硅烯从金属基底上剥离,进行后续的器件加工。这个难题从硅烯发现之初就一直困扰着材料学界,成为硅烯器件研发的主要瓶颈。甚至有人断言由于难度太大,硅烯将永远停留在基础研究阶段而无法真正走入应用开发。

2014年起,由中国和澳大利亚多个课题组组成的一个联合研究团队,对这一世界难题展开技术攻关。该团队由澳大利亚伍伦贡大学杜轶课题组、大连理工大学赵纪军课题组、中科院物理所吴克辉课题组、中科院高能物理所王嘉鸥课题组所组成。结合各个课题组在对硅烯的制备、化学稳定性、界面物理化学、理论计算模拟的前期研究基础和经验,中澳联合研究团队提出了利用活性气体分子做为“手术刀”将外延生长的硅烯从金属基底上剪切下来的实验方案,并最终确定利用氧分子做为“化学剪刀”插入了外延的硅烯和金属基底之间,成功将硅烯从金属基底上剥离。在扫描隧道显微镜、原位拉曼光谱和角分辨光电子能谱等先进设备的帮助下,中澳联合研究团队首次得到了准自由硅烯单层的原子结构像、电子能带结构以及声子特征谱等一系列极其重要的信息,并通过理论计算还原了氧分子剪裁剥离硅烯的整个过程。这一突破,为未来硅烯器件的研发提供了重要的科学和技术基础。相关成果近期发表于美国《科学》杂志的子刊《科学进展》(Science Advances)(论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600067)。成果发表后,引起国际学术界关注,Phys.Org,IEEE Spectrum,Nanowerk等国际科技媒体网站以“科学家用氧剪刀制备悬浮硅原子单层”、“硅烯制备的突破”“剥离硅层用于新电子学”等为题,纷纷进行报道。

我校赵纪军教授课题组自2012年起开展硅烯研究,在硅烯的生长行为、与衬底相互作用机制、氧化、碱金属插层和能带调控等方面发表了多篇有影响力的论文。其中关于银衬底钝化作用促进和保护硅烯生长的理论预言,被2015年发表在Nature Nanotechnology上的实验验证。最近,赵纪军课题组与杜轶课题组合作,系统研究了金属衬底上硅烯不同超结构的点缺陷,并解释了不同硅烯超结构缺陷密度的起因,论文发表于二维材料领域重要刊物2D Materials(影响因子:9.661)。

今年赵纪军教授还与中科院物理所吴克辉研究员、北京理工大学姚裕贵教授、北京大学吕劲副教授等合作,在国际材料科学领域权威期刊《Progress in Materials Science》(影响因子:31.083)上发表了题为“Rise of Silicene: a Competitive 2D Material”的长篇综述论文(论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642516300068),大连理工大学是该论文的第一作者单位。

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