中澳科学家联合攻关在硅烯研究中取得突破

近日，我校赵纪军教授与澳大利亚伍伦贡大学杜轶研究员等合作，在硅烯材料的氧化和单原子层剥离方面取得重要突破，成果发表在《科学》杂志子刊《科学进展》上，引起国际科技媒体的关注。

自石墨烯研究于2010年获得诺贝尔物理奖以来，全世界对二维层状材料的关注持续升温。其中，可用于下一代高性能晶体管的新型二维电子材料备受关注。硅烯是由硅原子组成的、类似于石墨烯的单层原子晶体。硅烯除了具有和石墨烯一样超高电子传输速率、极薄以及透明柔软特性之外，其能隙更易于打开和调控。作为硅材料，硅烯器件有可能利用现有的成熟硅基半导体工业手段研发和生产。因此，科学家预言硅烯是最合适制作下一代高性能低能耗晶体管的理想电子材料之一，它的应用将掀起新一轮的电子设备革命。

尽管上世纪90年代就有理论预测了硅烯的存在，直到2012年科学家才在实验室中采用分子束外延生长技术在金属基底上成功制备出硅烯，并于2014年实现了硅烯的场效应晶体管原型器件。然而，硅烯在由实验室走向工业化应用的道路上依然面临着很多的困难。最大的挑战在于：如何将硅烯原子层从金属基底上剥离，进行后续的器件加工。

2014年起，由中国和澳大利亚多个课题组组成的一个联合研究团队，对这一世界难题展开技术攻关。该团队由澳大利亚伍伦贡大学杜轶课题组、大连理工大学赵纪军课题组、中科院物理所吴克辉课题组、中科院高能物理所王嘉鸥课题组所组成。结合各课题组在硅烯研究的前期基础和经验，中澳联合研究团队提出了利用活性气体分子做为“手术刀”将外延生长的硅烯从金属基底上剪切下来的实验方案，并最终确定利用氧分子做为“化学剪刀”插入了外延的硅烯和金属基底之间，成功将硅烯从金属基底上剥离。在扫描隧道显微镜、原位拉曼光谱和角分辨光电子能谱等先进设备的帮助下，首次得到了准自由硅烯单层的原子结构像、电子能带结构以及声子特征谱等一系列极其重要的信息，并通过理论计算还原了氧分子剪裁剥离硅烯的整个过程。这一突破，为未来硅烯器件的研发提供了重要的科学和技术基础。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）（论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600067）。赵纪军教授和杜轶研究员为该论文的共同通讯作者。

成果发表后，引起国际学术界关注，Phys.Org，IEEE Spectrum，Nanowerk等国际科技媒体网站以“科学家用氧剪刀制备悬浮硅原子单层”、“硅烯制备的突破”“剥离硅层用于新电子学”等为题，纷纷进行报道。

我校赵纪军教授课题组自2012年起开展硅烯研究，在硅烯的生长行为、与衬底相互作用机制、氧化、碱金属插层和能带调控等方面发表了多篇有影响力的论文。最近，赵纪军课题组与杜轶课题组合作，系统研究了金属衬底上硅烯的点缺陷，论文发表于二维材料领域重要刊物2D Materials（影响因子：9.661）。今年赵纪军教授还与中科院物理所吴克辉研究员、北京理工大学姚裕贵教授、北京大学吕劲副教授等合作，在国际材料科学领域权威期刊《Progress in Materials Science》（影响因子：31.083）上发表了题为“Rise of Silicene: a Competitive 2D Material”的长篇综述论文（论文链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642516300068），大连理工大学是论文的第一作者单位。

责任编辑：龙海波