硅烯中新型狄拉克錐的直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和起源研究獲進(jìn)展

　　硅烯是指單層硅原子構(gòu)成的二維單晶結(jié)構(gòu)。由于它具有和石墨烯類(lèi)似的蜂窩狀晶體構(gòu)型，因此理論預(yù)言它將具有和石墨烯類(lèi)似的電子結(jié)構(gòu)，即在布里淵區(qū)的頂角(K點(diǎn))存在狄拉克錐。在石墨烯中，狄拉克點(diǎn)附近的準(zhǔn)粒子近似為無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，從而導(dǎo)致眾多有趣的物理現(xiàn)象及高的電子遷移率。硅烯除了具有石墨烯所具有的類(lèi)似物理性質(zhì)外，預(yù)計(jì)還將表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)。由于硅原子比碳原子重，硅烯中的自旋軌道耦合作用增強(qiáng)導(dǎo)致狄拉克點(diǎn)處具有較大的能隙，從而有可能在實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。此外，由于硅烯的所有硅原子不完全處在同一個(gè)平面內(nèi)，利用電場(chǎng)有可能調(diào)節(jié)其狄拉克點(diǎn)處能隙的大小，從而實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)湎嗟霓D(zhuǎn)換。尤其是硅烯與傳統(tǒng)硅工業(yè)的兼容性，使得其在將來(lái)納米電子學(xué)中有可能具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　近年來(lái)，人們?cè)诓煌囊r底上已經(jīng)成功地合成了硅烯，其中大多數(shù)硅烯的實(shí)驗(yàn)主要集中在Ag（111）襯底上。根據(jù)制備條件的不同，硅烯在Ag（111）襯底上可以形成多種結(jié)構(gòu)，包括相對(duì)于硅烯1x1周期的3x3和(√3x√3)R30°等重構(gòu)。由于到目前為止，硅烯必須依附在襯底上存在，這種情況下，硅烯體系中是否仍存在著狄拉克費(fèi)米子存在激烈的爭(zhēng)論。已有的實(shí)驗(yàn)提供相互矛盾的結(jié)果，理論則預(yù)言硅烯與Ag（111）之間的相互作用有可能會(huì)破壞狄拉克錐的存在。這個(gè)問(wèn)題的定論，離不開(kāi)對(duì)硅烯電子結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)和系統(tǒng)研究。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組的博士生馮婭、劉德發(fā)、劉旭、副研究員趙林等與表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳克輝研究組的博士生馮寶杰等合作，利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)，并與美國(guó)東北大學(xué)Arun Bansil 等理論研究者合作，系統(tǒng)研究了Ag（111）襯底上生長(zhǎng)的（3X3）硅烯的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了由硅烯與Ag(111)相互作用產(chǎn)生的一種新型狄拉克錐結(jié)構(gòu)，澄清了關(guān)于硅烯中狄拉克錐問(wèn)題的爭(zhēng)論。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Ag(111）襯底上生長(zhǎng)的高質(zhì)量（3x3）硅烯表現(xiàn)出一種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)：在Ag（111）對(duì)應(yīng)的第一布里淵區(qū)六條邊上存在六對(duì)狄拉克錐，其中每對(duì)狄拉克錐中心位于M點(diǎn)（圖1）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，狄拉克錐呈現(xiàn)類(lèi)似三角形的形狀（圖2），其能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米速度表現(xiàn)出明顯的各向異性（圖3）。由于制備的硅烯在低溫下只能觀察到下錐的結(jié)構(gòu)，研究人員采用高溫測(cè)量和表面蒸鉀兩種方法來(lái)探測(cè)上錐的結(jié)構(gòu)（圖4）。通過(guò)在樣品表面蒸鉀進(jìn)行電子摻雜，硅烯的狄拉克點(diǎn)位置逐漸下移，當(dāng)蒸鉀足夠多時(shí)，可以清楚地觀察到狄拉克上錐的結(jié)構(gòu)（圖4H）。

　　在(3x3)硅烯/Ag(111)中觀察到的六對(duì)狄拉克錐結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出一些非同尋常的特性。首先，這六對(duì)狄拉克錐存在于Ag（111）的布里淵區(qū)邊界M點(diǎn)附近，這與理論預(yù)言的獨(dú)立硅烯在硅烯對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)K點(diǎn)具有六個(gè)狄拉克錐顯著不同。其次，硅烯（3x3）重構(gòu)預(yù)計(jì)應(yīng)該導(dǎo)致能帶折疊，但實(shí)驗(yàn)上并沒(méi)有觀測(cè)到。這六對(duì)狄拉克錐只出現(xiàn)在Ag（111）布里淵區(qū)邊界上靠近（3x3）硅烯布里淵區(qū)的K點(diǎn)，說(shuō)明它們既不單獨(dú)存在于純的（3x3）硅烯中，也不單獨(dú)存在于純Ag（111）中，而是兩者相互作用的結(jié)果。已有的理論計(jì)算還不能解釋這種新型狄拉克結(jié)構(gòu)的起源，希望這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果能進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)理論方面的工作。

　　這項(xiàng)工作首次在硅烯中通過(guò)光電子能譜實(shí)驗(yàn)直接觀察到一種新型狄拉克錐的存在，這也是第一次發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩種材料的相互作用能產(chǎn)生新的狄拉克結(jié)構(gòu)。對(duì)硅烯中這種狄拉克錐結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)，澄清了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)上的爭(zhēng)論和分歧，為硅烯中新量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　相關(guān)研究工作發(fā)表于近期的《美國(guó)科學(xué)院院刊》【PNAS 113 (51)，14656-14661（2016）】。上述科研工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目等基金的資助。

　　圖1. Ag（111）襯底上生長(zhǎng)的（3x3）硅烯的掃描隧道顯微像（A）和電子結(jié)構(gòu)（D）。作為對(duì)比，（C）顯示了純Ag(111)的電子結(jié)構(gòu)。

　　圖2. （3x3）硅烯/Ag(111)中狄拉克錐隨結(jié)合能的演變(A,B和C)及其在布里淵區(qū)的分布。

　　圖3. 硅烯的能帶結(jié)構(gòu)（A-F）及費(fèi)米速度的各向異性（H）。

　　圖4. 采用高溫測(cè)量（A-D）和表面蒸鉀（E-H）的方法，探測(cè)硅烯狄拉克錐的上錐結(jié)構(gòu)。