硅烯中新型狄拉克錐的直接實驗觀測和起源研究獲進展

　　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似的蜂窩狀晶體構(gòu)型，因此理論預言它將具有和石墨烯類似的電子結(jié)構(gòu)，即在布里淵區(qū)的頂角(K點)存在狄拉克錐。在石墨烯中，狄拉克點附近的準粒子近似為無質(zhì)量的狄拉克費米子，從而導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似物理性質(zhì)外，預計還將表現(xiàn)出一些獨特的性質(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導致狄拉克點處具有較大的能隙，從而有可能在實驗?zāi)苓_到的溫度范圍內(nèi)實現(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平面內(nèi)，利用電場有可能調(diào)節(jié)其狄拉克點處能隙的大小，從而實現(xiàn)多種拓撲相的轉(zhuǎn)換。尤其是硅烯與傳統(tǒng)硅工業(yè)的兼容性，使得其在將來納米電子學中有可能具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　近年來，人們在不同的襯底上已經(jīng)成功地合成了硅烯，其中大多數(shù)硅烯的實驗主要集中在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米子存在激烈的爭論。已有的實驗提供相互矛盾的結(jié)果，理論則預言硅烯與Ag（111）之間的相互作用有可能會破壞狄拉克錐的存在。這個問題的定論，離不開對硅烯電子結(jié)構(gòu)的直接觀測和系統(tǒng)研究。

　　中國科學院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗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家重點實驗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)，并與美國東北大學Arun Bansil 等理論研究者合作，系統(tǒng)研究了Ag（111）襯底上生長的（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題的爭論。

　　實驗發(fā)現(xiàn)，在Ag(111）襯底上生長的高質(zhì)量（3x3）硅烯表現(xiàn)出一種獨特的電子結(jié)構(gòu)：在Ag（111）對應(yīng)的第一布里淵區(qū)六條邊上存在六對狄拉克錐，其中每對狄拉克錐中心位于M點（圖1）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，狄拉克錐呈現(xiàn)類似三角形的形狀（圖2），其能帶結(jié)構(gòu)和費米速度表現(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量和表面蒸鉀兩種方法來探測上錐的結(jié)構(gòu)（圖4）。通過在樣品表面蒸鉀進行電子摻雜，硅烯的狄拉克點位置逐漸下移，當蒸鉀足夠多時，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，這六對狄拉克錐存在于Ag（111）的布里淵區(qū)邊界M點附近，這與理論預言的獨立硅烯在硅烯對應(yīng)的布里淵區(qū)K點具有六個狄拉克錐顯著不同。其次，硅烯（3x3）重構(gòu)預計應(yīng)該導致能帶折疊，但實驗上并沒有觀測到。這六對狄拉克錐只出現(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，說明它們既不單獨存在于純的（3x3）硅烯中，也不單獨存在于純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，希望這些實驗結(jié)果能進一步推進相關(guān)理論方面的工作。

　　這項工作首次在硅烯中通過光電子能譜實驗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)通過兩種材料的相互作用能產(chǎn)生新的狄拉克結(jié)構(gòu)。對硅烯中這種狄拉克錐結(jié)構(gòu)的直接觀測，澄清了相關(guān)理論和實驗上的爭論和分歧，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《美國科學院院刊》【PNAS 113 (51)，14656-14661（2016）】。上述科研工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院先導B項目等基金的資助。

　　圖1. Ag（111）襯底上生長的（3x3）硅烯的掃描隧道顯微像（A）和電子結(jié)構(gòu)（D）。作為對比，（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）及費米速度的各向異性（H）。

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