新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的研究獲進展

　　近日，中國科學院武漢物理與數學研究所曹更玉研究組與中國科學院物理研究所高鴻鈞院士研究組合作，在新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的制備研究方面取得新進展，相關研究結果與中科院物理所以共同第一作者單位合作發表在Advanced Materials（2014，26，4820）雜志上。

　　近年來石墨烯研究在世界范圍內掀起熱潮。到目前為止，研究人員已相繼制備出碳元素構成的石墨烯和硅元素構成的硅烯，并探索其蜂窩狀結構非同尋常的電子學性質。隨著對石墨烯研究的不斷深入，研究人員把目光轉向了與碳和硅同族的鍺元素。理論研究證明自由狀態的單層起伏的鍺蜂窩狀結構可以穩定存在[S. Cahangirov, et al. Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009)]，這種起伏的鍺蜂窩結構具有量子自旋霍爾效應的性質[C.-C. Liu, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)]，通過摻雜，其高溫超導性質也被預測出來[G. Baskaran, arXiv:1309.2242 (2013)]。二維蜂窩狀鍺材料具有如此重要的電子學特性，然而，制備由鍺元素單質構成的二維蜂窩狀結構至今未見報道。

　　武漢物數所秦志輝副研究員帶領博士研究生盧雙贊與中科院物理所高鴻鈞院士研究組合作，在金屬基底Pt(111)上通過精細優化外延生長條件成功制備出鍺的二維蜂窩狀結構，首次實驗上驗證了“單層起伏的鍺蜂窩狀結構可以穩定存在”的理論預言。通過低能電子衍射和掃描隧道顯微學的原位精細表征發現，鍺的二維蜂窩結構相對Pt(111)基底形成一個(?19′?19)R23°周期性的超結構，這一超結構恰好對應于鍺烯晶格的(3′3)結構。研究人員結合第一性原理計算，進一步驗證了這種超結構模型，并通過電子局域函數的計算揭示了鍺烯的連續性，證明鍺烯中的Ge原子以共價鍵結合而形成鍺的二維蜂窩狀晶格材料。鍺烯具有比石墨烯和硅烯更強的自旋軌道耦合能隙，制備鍺的類石墨烯結構對未來電子學極其重要，相關電子學表征正在進行中。

　　該項研究工作得到了科技部A類“973”項目的大力支持。秦志輝副研究員在近日舉行的2014年石墨烯研究最新進展國際會議上，通過題為Graphene-Like Two-demensional Germanene Formation on Pt(111) 的Poster將該研究成果向大會進行了展示，并獲得了大會評選出的“Best Poster Award”。

（左）鍺烯高分辨STM圖像(U = 1 V, I = 0.05 nA)，（右）第一性原理計算獲得的Pt(111)上蜂窩狀鍺烯結構的原子弛豫模型，與實驗結果完全吻合。