项目编号905-2019-Z001
项目名称硅烯的发现与物性研究
候选单位中国科学院物理研究所
候选人吴克辉 陈 岚 冯宝杰 程 鹏 孟 胜
项目简介    有着独特量子特性和优异电学性质的石墨烯开启了二维体系这一领域的研究热潮。但是,现代电子工业以硅元素为基础,且硅与碳为同一主族元素,理论上二维硅(即硅烯)有着超越石墨烯的量子特性。实现硅烯无论对基础物理研究和实际硅工业的应用都有着巨大的意义。而硅在自然界中最稳定的结构是三维的金刚石结构,如何在实验上实现硅烯以及验证其新奇量子特性是一个巨大的难题。中科院物理所吴克辉研究团队从2011年以来对硅烯进行了开创性和系统性的实验研究,取得了一系列重要研究成果, 产生了广泛的国际影响。发表的6篇代表性论文被引用超过了1400次,研究结果被Nature(China)等知名科学媒体作为亮点工作报道。项目负责人吴克辉2018年获得杰青、科技部创新计划领军人才、2019年入选“万人计划”创新领军人才,主要完成人陈岚2013年获得优青,冯宝杰2018年获得青年千人,孟胜2012年获得优青。 主要科学发现及其价值概况如下: (1)通过精确的分子束外延控制,实现了硅原子在衬底上的二维化生长,得到了单层硅烯薄膜,这是国际上首次在实验上真正生长出单层硅烯。硅烯的成功制备为未来的深入研究奠定了基础,同时激发了人们对单元素二维材料研究的兴趣,国际上开始了单元素二维材料的研究热潮,展现出了二维材料在未来基础和应用研究中的重要前景。 (2)利用界面作用调控硅烯的结构,获得了独特的超结构,并发现其在低温下表现出奇特的结构相变。这一独特的超结构不但保持自由状态下的狄拉克电子特性,并且在狄拉克点打开能隙,这项工作展示了硅烯翘曲结构的易调控性,表明硅烯在可调控性方面大大优于石墨烯,对硅烯的应用具有重要的推动作用。 (3)在实验上观察到了硅烯存在线性动量能量色散,并发现了硅烯中的准粒子存在背散射抑制,证实了准粒子存在赝自旋。这是世界上首次真正成功验证硅烯的狄拉克电子特性,支持了理论预言硅烯有着与石墨烯相似的电子态,展示了硅烯与石墨烯有着相同的应用前景。此外,还发现了硅烯在低温下出现巨大能隙、六角弯曲的能带结构等现象,表明硅烯有着自身独特的电子特性,有可能在新奇量子现象的探索研究中存在用武之地,开拓了硅烯新的应用领域。 (4)利用分子束外延技术的精准控制,实现了硅烯的整体氢化,并得到长程有序的氢化结构。证实了硅烯独特的翘曲结构,并展示了化学吸附对硅烯翘曲结构的有效调控,提供了一种可以有效调控硅烯电子特性的方法,显示了硅烯的优越性。

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