石墨烯的“表妹”问世——中国科学家制备锡烯

自graphene（石墨烯）被发现后，由于其具有优异的物化性质而受到人们的追捧，同时，另外几种二维材料也相继面世，如由硅原子组成的silicene（硅烯)、由锗原子组成的germanene（锗烯），以及由磷原子组成的phosphorene（磷烯），还有其它由不同化学元素构成的复合薄层材料（石墨烯，以及那些比石墨烯更牛的各种“烯”）。

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两年前，物理学家曾预言锡(Sn)也能形成只有一个原子厚的网状结构，最近，来自上海交通大学钱冬教授和贾金锋教授带领的中美科学家团队终于证明这一预测是正确的，他们在《Nature Materials》刊发了这一令人激动的研究成果——stanene（锡烯）的外延生长。通过在真空条件下气化锡，使其附着到由碲化铋制成的基底表面，实现了stanene的分子束外延生长。

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科学家们精确测定了单个stanene薄膜中双原子层的相对高度(buckling)，确定了外延薄膜的电子能带结构。实验精确确定的原子结构及电子能带结构和第一性原理计算的结果具有非常好的一致性，从而证实了外延生长所得到的薄膜的确是二维stanene薄膜。不过，研究人员一直无法确认该材料是否具有预想中的优异电子性能，比如，可以传导电而不会产生任何余热。

Stanene（源自拉丁文stannum），可以称得上石墨烯（graphene）最小的一个“表妹”。理论上，这种stanene极为特殊。因为，室温下电子沿网格的边缘行进，而不像其它大多数材料中会与其它电子和原子发生碰撞。根据斯坦福大学物理学家张首晟教授于2013年的预测，这种特性会使stanene能够导电，却不产生任何废热，这意味着，stanene薄膜可能是电路上的完美“高速路”。张首晟教授也是这一最新研究成果的合作者之一，他和清华大学徐勇教授对stanene的研究提供了第一性原理计算支持。

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Stanene可能是一个拓扑绝缘体，其中电荷载体（例如电子）不能通过材料的中心但却可以在边缘自由移动，而移动的方向取决于它们的自旋（量子性质）是向上还是向下。张首晟说，电流永远不会消散，因为大多数的杂质不会影响自旋，也不会让电子慢下来。但是，科学家们目前尚无法证实stanene是一个拓扑绝缘体，这是因为碲化铋基底可能会与stanene相互作用，影响了拓扑绝缘体的性质。

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德国维尔茨堡大学的物理学家Ralph Claessen认为，现在还不能完全确定这个材料就是stanene。理论预测，二维晶格锡应该形成一个搭扣蜂窝状结构（buckled honeycomb structure）。尽管研究团队已经确定了原子结构及电子能带结构，Claessen说，他需要通过X射线衍射来对网格结构进行直接测量，从而确定这些制备的材料是stanene。这可能需要制备出更多的材料。

法国埃克斯——马赛大学的物理学家Guy Le Lay对这一研究结果持乐观态度，“这就像去月球，第一步是关键的一步。”他是最先制备出silicene和germanene的人。

1. http://www.nature.com/news/physicists-announce-graphene-s-latest-cousin-stanene-1.18113

2. http://www.nature.com/articles/nmat4384.epdf