硅烯中新型狄拉克锥的直接实验观测和起源研究获进展

摘要: 　　硅烯是指单层硅原子构成的二维单晶结构。由于它具有和石墨烯类似的蜂窝状晶体构型，因此理论预言它将具有和石墨烯类似的电子结构，即在布里渊区的顶角(K点)存在狄拉克锥。在石墨烯中，狄拉克点附近的准粒子近似 ...

　　硅烯是指单层硅原子构成的二维单晶结构。由于它具有和石墨烯类似的蜂窝状晶体构型，因此理论预言它将具有和石墨烯类似的电子结构，即在布里渊区的顶角(K点)存在狄拉克锥。在石墨烯中，狄拉克点附近的准粒子近似为无质量的狄拉克费米子，从而导致众多有趣的物理现象及高的电子迁移率。硅烯除了具有石墨烯所具有的类似物理性质外，预计还将表现出一些独特的性质。由于硅原子比碳原子重，硅烯中的自旋轨道耦合作用增强导致狄拉克点处具有较大的能隙，从而有可能在实验能达到的温度范围内实现量子自旋霍尔效应。此外，由于硅烯的所有硅原子不完全处在同一个平面内，利用电场有可能调节其狄拉克点处能隙的大小，从而实现多种拓扑相的转换。尤其是硅烯与传统硅工业的兼容性，使得其在将来纳米电子学中有可能具有更广阔的应用前景。
　　近年来，人们在不同的衬底上已经成功地合成了硅烯，其中大多数硅烯的实验主要集中在Ag（111）衬底上。根据制备条件的不同，硅烯在Ag（111）衬底上可以形成多种结构，包括相对于硅烯1x1周期的3x3和(√3x√3)R30°等重构。由于到目前为止，硅烯必须依附在衬底上存在，这种情况下，硅烯体系中是否仍存在着狄拉克费米子存在激烈的争论。已有的实验提供相互矛盾的结果，理论则预言硅烯与Ag（111）之间的相互作用有可能会破坏狄拉克锥的存在。这个问题的定论，离不开对硅烯电子结构的直接观测和系统学习。
　　中国科学院物理学习所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）超导国家重点实验室周兴江学习组的博士生冯娅、刘德发、刘旭、副学习员赵林等与表面物理国家重点实验室吴克辉学习组的博士生冯宝杰等合作，利用高分辨角分辨光电子能谱技术，并与美国东北大学Arun Bansil 等理论学习者合作，系统学习了Ag（111）衬底上生长的（3X3）硅烯的电子结构，发现了由硅烯与Ag(111)相互作用产生的一种新型狄拉克锥结构，澄清了关于硅烯中狄拉克锥问题的争论。
　　实验发现，在Ag(111）衬底上生长的高质量（3x3）硅烯表现出一种独特的电子结构：在Ag（111）对应的第一布里渊区六条边上存在六对狄拉克锥，其中每对狄拉克锥中心位于M点（图1）。进一步学习发现，狄拉克锥呈现类似三角形的形状（图2），其能带结构和费米速度表现出明显的各向异性（图3）。由于制备的硅烯在低温下只能观察到下锥的结构，学习人员采用高温测量和表面蒸钾两种方法来探测上锥的结构（图4）。通过在样品表面蒸钾进行电子掺杂，硅烯的狄拉克点位置逐渐下移，当蒸钾足够多时，可以清楚地观察到狄拉克上锥的结构（图4H）。
　　在(3x3)硅烯/Ag(111)中观察到的六对狄拉克锥结构，表现出一些非同寻常的特性。首先，这六对狄拉克锥存在于Ag（111）的布里渊区边界M点附近，这与理论预言的独立硅烯在硅烯对应的布里渊区K点具有六个狄拉克锥显著不同。其次，硅烯（3x3）重构预计应该导致能带折叠，但实验上并没有观测到。这六对狄拉克锥只出现在Ag（111）布里渊区边界上靠近（3x3）硅烯布里渊区的K点，说明它们既不单独存在于纯的（3x3）硅烯中，也不单独存在于纯Ag（111）中，而是两者相互作用的结果。已有的理论计算还不能解释这种新型狄拉克结构的起源，希望这些实验结果能进一步推进相关理论方面的工作。
　　这项工作首次在硅烯中通过光电子能谱实验直接观察到一种新型狄拉克锥的存在，这也是第一次发现通过两种材料的相互作用能产生新的狄拉克结构。对硅烯中这种狄拉克锥结构的直接观测，澄清了相关理论和实验上的争论和分歧，为硅烯中新量子现象的发现和应用奠定了基础。
　　相关学习工作发表于近期的美国科学院院刊【PNAS 113 (51)，14656-14661（2016）】。上述科研工作得到国家自然科学基金委、科技部和中科院先导B项目等基金的资助。
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