İlerleme | İki boyutlu atomik kristal antimonenin yapısı ve fiziksel özelliklerinde araştırmalar yapılmıştır.
Grafenin keşfi ve benzersiz özellikleri ve uygulama değeri, insanların diğer iki boyutlu malzemelerin araştırılmasına olan coşkusuna ilham verdi. Bunlar arasında, V ana grubunun elemanlarından oluşan tek katmanlı malzeme, yeni nesil elektronik cihazlarda uygulama için çok uygun olan geniş bant aralığı, yüksek taşıyıcı hareketliliği ve "banal olmayan" topolojik özelliklere sahiptir. Son yıllarda, tek katmanlı antimonen teorik olarak geniş bir bant aralığına sahip yarı iletken bir malzeme olarak öngörülmüştür ve aynı zamanda yüksek taşıyıcı hareketliliği, yüksek termal iletkenlik ve elektriksel özelliklerin kolay kontrolü özelliklerine sahiptir ve bu da kapsamlı araştırmalara neden olmuştur. Bununla birlikte, yüksek kaliteli antimonenin deneysel olarak hazırlanmasına ilişkin çok az rapor vardır ve malzemenin yapısını ve fiziksel özelliklerini daha fazla kontrol etmek daha zordur.
Akademisyen Gao Hongjun, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi / Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi, Nanofizik ve Cihazlar Temel Laboratuvarı liderliğindeki araştırma ekibi, yeni iki boyutlu kristal malzemelerin hazırlanması, fiziksel özellikleri ve uygulamaları hakkında temel araştırmalara kendini adamış ve bir dizi önemli başarıyı elde etmiştir. Araştırma sonuçları. Daha önce, bir paladyum ditellurid substratı üzerinde, serbest antimona benzer eğri bal peteği yapısı ve kafes periyodu olan ve iyi kimyasal stabiliteye sahip geniş alanlı, yüksek kaliteli tek katmanlı bir antimon başarıyla hazırladılar Gelişmiş Mater. 29, 1605407 (2017)). Son zamanlarda, tek katmanlı antimonenin yapısal özelliklerini daha fazla modüle etmek için, doktora öğrencileri grubu Shao Yan, Liu Zhongliu (yardımcı ilk yazar) ve araştırmacı Wang Yeliang (eş-ilgili yazar), vb., Substrat ve antimon arasındaki kristali kullandı. Kafes uyumsuzluğundan dolayı, düzlemsel bir petek yapısına sahip tek bir antimonen tabakası, Ag (111) tek kristalinin yüzeyinde başarıyla epitaksiyel olarak büyütüldü. Daha sonra, düzlemsel petek tek tabakalı antimonenin yapısını ve fiziksel özelliklerini incelemek için Pekin Senkrotron Radyasyon Merkezi'nden yardımcı araştırmacı Wang Jiaou (fotoelektron enerji spektrum analizi) ve Fizik Enstitüsü'nden yardımcı araştırmacı Sun Jiatao (teorik hesaplama, eş-karşılık gelen yazar) ile işbirliği yaptılar. .
Teorik çalışmalar, antimonenin kafes yapısının stres uygulanarak değiştirilebileceğini, böylece elektronik özelliklerini modüle edebileceğini ve uygulama alanlarını genişletebileceğini göstermiştir. Bununla birlikte, deneylerde ince film malzemelerine nasıl gerilim uygulanacağı her zaman zor bir problem olmuştur. Substrat ve ince film materyali arasındaki kafes uyumsuzluğundan dolayı, ince film materyaline stres uygulanabilir. Spesifik deneysel tasarımda, substrat olarak 2.89 Å kafes sabiti olan Ag (111) tek kristali seçtiler, serbest Antimonenin kafes periyodu 4,10 A'dır ve substrat ile film kafes periyodu arasındaki uyumsuzluk antimonene stres uygulanmasına elverişlidir, bu da antimonen kafes yapısının modülasyonuna neden olur; aynı zamanda Ag (111) tek kristalinde de Altı kat simetri, kararlı yüzey özellikleri, yüksek kaliteli film malzemeleri elde edilmesi kolay.
Ag (111) yüzeyinde başarılı bir şekilde geniş bir alan ve yüksek kaliteli tek katmanlı antimon elde etmek için moleküler ışın epitaksiyel büyüme yöntemini kullandılar. Serbest antimon ile karşılaştırıldığında, kristal kafes gerilir ve dalgalanmalar olmadan düz bir bal peteği yapısına sahiptir (Şekil 1). Düşük enerjili elektron kırınımı (LEED) ve birinci prensip hesaplamaları ile birleştirilen taramalı tünelleme mikroskobu (STM) yardımıyla, yetiştirilen tek tabakalı antimonenin ince atomik düzenlemesi incelendi: LEED deneyleri, büyük başarı elde ettiklerini kanıtladı. Geniş bir antimon tek kristali alanı, substratın Ag (111) yüzeyinde bir (3 × 3) süper örgü yapısı oluşturur; STM görüntüsü, antimon atomları tarafından oluşturulan düzlemsel bal peteği yapısını ve bitişik antimon atomlarını açıkça ayırt eder. Antimonen filmin yüksek kalitede olduğunu kanıtlayan herhangi bir dalgalanma yoktur; teorik model ve STM simülasyonu, elde edilen düzlemsel tek tabakalı antimonun atomik yapısını belirlemek için daha da birleştirilir (Şekil 2, Şekil 3). Ardından, X-ışını fotoelektron spektroskopi deneylerinin sonuçlarını ve elektronik lokalizasyon fonksiyonlarının teorik hesaplamalarını birleştirerek, tek tabakalı antimonen ile alt tabaka arasındaki zayıf etkileşimi ortaya çıkardılar (Şekil 3, Şekil 4). Son olarak, teorik hesaplamalar yoluyla antimonen ve serbest antimonenin elektronik özelliklerini düzlemsel bir petek yapısıyla karşılaştırdılar. Değerlik elektron orbitalleri açısından, serbest antimonen kısmen hibritlenmiş bir sp3 orbitalidir ve düzlemsel antimonen yalnızca sp2 hibrit orbitalleri oluşturur ve düzlem dışı pz orbitalleri hibridizasyona katılmaz, bu nedenle grafen bandındaki Dirac konisine benzer görünür. Yapı (Şekil 5); Genel enerji bandı yapısında, serbest antimonen yarı iletken bir enerji bandı iken düzlemsel antimonende bir yarı metal haline dönüşür ve malzeme sınırda "banal olmayan" topolojik duruma sahiptir (Şekil 6) .
Substrat ve film arasındaki etkileşim sayesinde, bu çalışma, antimonenin yapı ve özelliklerinin modülasyonu için yeni bir araştırma yöntemi sağlayan düzlemsel bir yapıya sahip yüksek kaliteli antimonen hazırlanmasını sağlamıştır; aynı zamanda elektronik yapıda düzlemsel antimonen ortaya çıkmıştır. Yeni topolojik sınır durumu, ona topoloji ile ilgili yönlerden uygulama potansiyeli verir ve malzemelerin gelecekteki uygulama alanlarını büyük ölçüde genişletir.
İlgili sonuçlar Nano Letters 18, 2133-2139 (2018) 'de yayınlandı.Bu araştırma, Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (61725107, 51572290), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (2016YFA0202300, 2013CBA01600) ve Çin Bilimler Akademisi tarafından desteklenmiştir.
Şekil 1. İki kristal yapıya sahip tek katmanlı antimonen. (A) Eğri bal peteği yapısına sahip tek katmanlı antimonen; (b) Düzlemsel bal peteği yapısına sahip tek katmanlı antimonen.
Şekil 2. Ag (111), LEED, geniş alan ve ince yapılı STM görüntüleri üzerinde düzlemsel bal peteği tek tabakalı antimonen hazırlanmasının şematik diyagramı. (A) epitaksiyel büyüme düzlemi antimoneninin büyüme sürecinin şematik diyagramı; (b) numunenin büyümesinden önce ve sonra LEED görüntüleri ve (3 × 3) üst örtüler, Ag (111) substratının yüzeyinde oluşturulur. Yapı; (d) Tek katmanlı bir antimon filmin geniş alan STM görüntüsü; (e) Tek bir antimon filmin yüksek çözünürlüklü görüntüsü, ondülasyonsuz bir bal peteği yapısı, (f) 5.01 periyodu
Şekil 3. Antimonene yüksek çözünürlüklü STM görüntüsü, teorik model ve elektronik yerel çalışma işlevi. (A) Atomik çözümlenmiş antimon STM diyagramı, (b) STM simülasyonu ve (c) birbiriyle iyi uyum içinde olan yapısal model, dalgalanmalar olmadan düz bir bal peteği yapısına sahip olduğunu kanıtlar; (d) (e) elektronik yerel fonksiyon üst Görüntü ve enine kesit görünüm, film ve alt tabaka arasında yalnızca zayıf bir etkileşim olduğunu göstermektedir.
Şekil 4. Hazırlamadan önce ve sonra Ag (111) yüzeyinde düz bal peteği tek tabakalı antimonenin XPS karakterizasyonu. (A) Gümüş XPS test sonuçları, Ag (111) tek kristal üzerinde tek bir antimon tabakasının büyümesinden önce ve sonra; (b) Antimon büyümesinden sonra antimon XPS test sonuçları; (c) ve (d) Ag ve antimon tavlamadan önce ve sonra XPS test sonuçları.
Şekil 5. Antimon atomlarının elektron yörüngelerinin iki antimon yapısındaki enerji bantlarına katkısının teorik olarak hesaplanması. Serbest antimonlar kısmen hibridize sp3 orbitalleridir (ae, k). Düzlemsel antimonlar sadece sp2 hibrid orbitalleri oluşturur ve düzlem dışı pz orbitalleri hibridizasyona (fj, l) katılmaz, bu da benzer bir grafen bandı oluşturur. Dirac koni yapısı (j ve l).
Şekil 6. İki antimonun bant yapısının karşılaştırılması. (A) Serbest antimon bir yarı iletkendir, (b) düzlemsel antimon bir yarı metaldir ve malzeme sınırda "banal olmayan" bir topolojik duruma sahiptir.
Editör: Binbaşı Tom
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
