徐勇、段文晖课题组在全新二维半导体材料Sn2Bi的研究进展

 

二维电子材料因其低维物理与量子束缚效应而展现出独特的量子材料性质,是当今凝聚态物理和材料科学的研究前沿。已发现的二维电子材料主要源于三维层状材料,而自然界中的材料绝大部分都是非层状的,后者能衍生出种类更丰富、性质更奇特的二维电子材料,却因其制备与表征的复杂性而很少被研究。

 

 

新型二维半导体材料Sn2Bi具有二维蜂窝状晶格,能提供局域电子与自由空穴,是纳米电子器件的理想研究平台。

 

最近,物理系徐勇助理教授和段文晖教授课题组与中科院物理所陈岚研究员和吴克辉研究员课题组、钱天副研究员和丁洪研究员课题组合作,尝试在Si(111)-Bi衬底上制备理论预言的二维拓扑绝缘体——锡烯(stanene),实验中意外发现一种具有特殊元素配比、奇特原子结构与新奇电子特性的双元二维蜂窝状晶体Sn2Bi(如图所示),它不仅表现出强自旋-轨道耦合效应,还具有异常高的电子-空穴非对称性:既能给出近自由的空穴能带,又能提供局域的电子平带,可实现局域电子和自由空穴的双向选择与调制,为未来电子器件研发和强关联电子研究提供了一个全新的材料体系。

值得一提的是,高质量的分子束外延生长、高分辨率的原子/电子结构测量表征和高预测性的第一性原理材料计算对发现新型二维电子材料均至关重要。徐勇、段文晖课题组通过第一性原理计算,结合智能全局优化的预测算法(CALYPSO)做了大批量结构搜索,在数千种原子构型中发现唯一一个结构稳定、宽能隙、双元二维蜂窝状结构——Sn2Bi。理论计算的原子/电子结构与实验观测结果一致,并预测体系中存在局域的电子平带,该电子平带已被泵浦-探测光电子实验观测到。这个工作完美地诠释了实验与理论合作的重要性,为探索新型二维电子材料提供了研究范例。

该研究成果以“Binary Two-Dimensional Honeycomb Lattice with Strong Spin-Orbit Coupling and Electron-Hole Asymmetry”为题于9月17日在线发表在Physical Review Letters 121, 126801 (2018),并获编辑推荐(“Editors’ Suggestion”)。中科院物理所的博士生苟健、清华大学物理系的博士生夏炳煜和中科院物理所的博士生李航为文章共同第一作者,清华大学物理系的徐勇助理教授、中科院物理所的吴克辉研究员和陈岚研究员为共同通讯作者。合作者还包括清华大学物理系的段文晖教授、中科院物理所的钱天副研究员、程鹏副研究员、丁洪研究员、博士生王旭光、孔龙娟、北京化工大学的李晖教授和河南大学的张伟风教授。该工作获得了中国科技部、国家自然科学基金、中科院先导计划、国家青年千人计划、清华大学自主科研计划的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.126801