Nano lett.:石墨烯薄膜的外延生长及带结构

原标题:Nano lett.:石墨烯薄膜的外延生长及带结构

【引言】

石墨烯的发现激发了对基本二维(2D)材料的研究的巨大兴趣,具有与其大量对应物不同的外来物理和化学性质。使用分子束外延,观察到的非凡的电子结构展示了其在未来纳米器件和光电器件应用中的前景。体积单晶Te是窄带隙半导体(0.33eV)的理论研究提出了单层Te,α-Te,β-Te和γ-Te的三种结构类型,其中α-Te和β-Te分别为带隙为0.75和1.47eV的半导体。因此,控制厚度可以实现从中红外(0.3eV)到近红外(1.5eV)的重要光谱范围的Te膜下降到单个原子层。另一方面,由于Te原子数相对较高,Te原子表现出强烈的自旋轨道耦合。在外部应变下,通过理论研究预测了Te单晶的拓扑相变。另外,通过光电子能谱鉴定的大量新型量子材料,例如拓扑绝缘子Bi/Sb2Te3和ZrTe5和拓扑半金属W/MoTe2都具有Te原子层作为构件,激发了对单层Te薄膜的广泛研究兴趣。然而,除了通过各种方法实现的不同类型的Te纳米结构外,报道了Te膜的外延生长,原子尺度上的表征仍然不存在。

【成果简介】

近日,中科院物理所王炜华和郭建东(共同通讯作者)课题组在Nano lett.上发表了题为“Epitaxial Growth and Band Structure of Te Film on Graphene” 的文章。该研究团队通过MBE报告6H-SiC(0001)衬底上石墨烯表面上Te膜的范德华力(vdW)外延。在单层和几层薄膜中获得了Te的二维形式。通过扫描隧道显微镜(STM)研究,揭示了Te膜由平行排列的螺旋Te链组成,平坦地躺在石墨烯表面上,露出散装Te晶体的(101̅0)的(1×1)面。通过扫描隧道显微镜(STS)测量,Te膜的带隙随着厚度从0.33eV(体积)降低至0.92eV(单层)而单调增加,覆盖从中红外到近红外的光谱范围。此外,空间分辨的STS光谱显示向上的带弯曲,导致在单层Te和石墨烯的边界处的空穴积聚。

【图文导读】

图1 石墨烯上Te薄膜的地形图

(a)大面积的STM图像(3.125V/50pA)的生长的Te膜分布在基板(SiC)步骤(蓝色箭头所示)上;

(b)单层Te膜的高分辨率STM图像(1.5V/30pA);

(c)(6×6)重构石墨烯(图像的上部)与单层Te膜(图像的下部)之间的步长的STM图像;

(d和e)分别如图c所示的石墨烯和单层Te的快速傅立叶变换图案。

图2 D34(152#)三角空间组的Te单晶晶格结构

(a)3D结构示意图;

(b和c)分别为a0-b0和b0-c0平面;

(d)石墨烯/SiC(0001)上无限双层Te膜的3D图。

图3 具有不同厚度的Te膜的带隙演变

(a)在不同层的石墨烯/ SiC暴露梯田上的Te岛的差分STM图像;

(b)石墨烯底物和单层Te的dI/dV光谱(〜800mV/100pA);

(c)在L2,L3和L4上拍摄的dI/dV光谱,可以确定带隙;

(d)Te膜的带隙作为厚度的函数。

图4 沿着图3a中的虚线橙线拍摄的差分电导(dI/dV光谱)

(a)以对数刻度(-1.5V/100pA,调制为10mV)的2D彩色映射绘制dI/dV光谱(以1nm的间隔拍摄的50条曲线);

(b)在具有相同颜色的面板a中标记的位置处获得代表性的dI/dV光谱。

【小结】

该研究团队通过vdW外延在石墨烯/6H-SiC(0001)衬底上生长单层和几层Te膜。具有不同厚度的Te薄膜沿[101̅0]方向形成于体积Te晶体的结构中,其中螺旋链平坦地位于每层中并且彼此平行。Te的带隙随着厚度的增加而单调增加,对于单层Te达到0.92eV。单层Te和石墨烯的边界处观察到向上的带弯曲,表现出局部孔积聚。

文献链接:Epitaxial Growth and Band Structure of Te Film on Graphene (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01029)

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