中國最先用過渡金屬元素構造二維原子晶體材料

中科院物理所首次發現相關成果發表於《納米快報》

本報訊(記者閆潔)記者日前從中科院物理所獲悉，該所高鴻鈞研究組的科研人員首次發現了製備鉿烯二維蜂窩狀原子晶體的方法，從而向實現非碳元素的類石墨烯二維蜂窩狀結構邁出了重要一步。相關成果發表在近期出版的《納米快報》雜誌上，並被《自然中國》和《自然—納米技術》作為研究亮點進行了報道。

據瞭解，石墨烯的非凡性質根源於其蜂窩狀晶格中的粒子隧穿。近年來，隨着石墨烯研究的興起，人們開始關注其他新型二維蜂窩狀材料。此前，高鴻鈞研究組在銥(111)襯底上成功製備出硅烯，成為目前國際上報道的製備硅烯的三種方法之一。不過，從現有報道的單層二維蜂窩狀材料來看，它們只是由元素週期表中的p區元素構成的(例如碳、硅)。

過渡元素二維蜂窩狀結構的實現，對於研究過渡元素電子、自旋和催化性質具有重要意義。尤其是過渡金屬元素中的鉿是當今半導體科學和技術中最重要的元素之一，製備出鉿的類石墨烯結構對於未來電子學發展極其重要。然而，由d電子過渡金屬元素單質構成的二維蜂窩狀結構至今未見報道。

此次研究人員通過分子束外延生長方法，獲得了d電子過渡金屬元素的單層平面二維蜂窩狀結構。實驗觀測結果表明，在銥(111)基底表面，鉿原子形成了自己的二維蜂窩狀晶格，並且近鄰鉿原子的間距與體狀鉿內部的原子間距極其接近。這些結果突破了二維蜂窩狀結構由p區元素構成的現狀。

研究人員對實驗結果進行理論計算與模擬後發現，這類由元素週期表中d區元素構成的二維晶體材料，其幾何和鍵結構與石墨烯類似，被稱為d電子烯或者金屬烯—鉿烯。這種d電子金屬元素構成的二維蜂窩狀結構，比石墨烯具有更強的自旋軌道耦合，為研究二維體系中新的量子現象和電子行為提供了全新平台。