二维金属为通往新科学开辟道路

 诸平

Fig. 1 A single atomic layer of metal is capped by a layer of graphene, allowing for new layered materials with unique properties. Credit: Yihuang Xiong/Penn State

据美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）沃尔特·米尔斯（Walt Mills）2020年3月10日提供的消息，宾夕法尼亚州立大学的研究人员与劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Lab)和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的研究人员共同开发的原子薄材料平台，将在生物分子传感、量子现象、催化和非线性光学领域打开广泛的新应用。相关研究于2020年3月10日已经在《自然材料》（Nature Materials）杂志网站上发表——Natalie Briggs, Brian Bersch, Yuanxi Wang, Jue Jiang, Roland J. Koch, Nadire Nayir, Ke Wang, Marek Kolmer, Wonhee Ko, Ana De La Fuente Duran, Shruti Subramanian, Chengye Dong, Jeffrey Shallenberger, Mingming Fu, Qiang Zou, Ya-Wen Chuang, Zheng Gai, An-Ping Li, Aaron Bostwick, Chris Jozwiak, Cui-Zu Chang, Eli Rotenberg, Jun Zhu, Adri C. T. van Duin, Vincent Crespi, Joshua A. Robinson. Atomically thin half-van der Waals metals enabled by confinement heteroepitaxy. Nature Materials, Published: 10 March 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-0631-x. 图1是宾夕法尼亚州立大学提供的单原子金属层被石墨烯层覆盖，从而允许具有独特性能的新型层状材料的图片。

博士候选人兼此论文的第一作者纳塔莉·布里格斯（Natalie Briggs）说：“我们利用对一种特殊类型的石墨烯——称为外延石墨烯（epitaxial graphene）的了解来稳定单原子薄金属的独特形式。有趣的是，这些单原子薄金属在结构中稳定,这与它们的块状形式完全不同，因此与在块状金属中所期望的性质相比，它们具有非常有趣的特性。”

传统上，当金属暴露于空气中时，它们会迅速开始氧化生锈。在短短的一秒钟内，金属表面就会形成一层锈蚀层，从而破坏金属的性能。对于二维金属来说，锈蚀将是整个层。如果要通过传统合成方法将金属与其他2-D材料结合起来，则合成过程中的化学反应会破坏金属和层状材料的性能。为了避免这些反应，研究小组开发了一种方法，在生成二维金属时，用单层石墨烯自动覆盖二维金属,起到保护作用。

研究人员首先将碳化硅加热到高温，使硅离开表面，而剩余的碳重构为外延石墨烯。重要的是，石墨烯/碳化硅界面只有部分稳定，而且几乎任何元素都可以很容易地钝化，前提是该元素可以接触到该界面。

该研究小组用氧等离子体在石墨烯上戳出小孔，然后在高温下将纯金属粉末蒸发到石墨烯表面，从而提供了这种方法。金属原子通过石墨烯的空穴迁移到石墨烯/碳化硅界面，形成碳化硅、金属和石墨烯的三明治结构。产生二维金属的过程被称为限制异质外延(confinement heteroepitaxy)简称CHet。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授，也是上述论文的通讯作者约书亚·罗宾逊（Joshua Robinson）表示：“由于金属的局限性，我们之所以称之为CHet，是因为它是外延的（所有原子都排列在碳化硅中），这是我们在这些系统中看到的独特性能的重要方面。” ，

约书亚·罗宾逊说：“在本文中，重点是金属的基本特性，这些基本特性将使一系列新的研究课题成为现实。” “这表明我们能够开发适用于各种热门话题的新型二维材料系统，例如量子，其中石墨烯是关键环节，使我们能够考虑组合通常无法组合的非常不同的材料形成超导或光子量子位（photonic qubits）的基础。”

他们研究的下一步将涉及证明这些层状材料的超导、感测、光学和催化特性。除了创造独特的2D金属外，该团队还将继续使用CHet探索新型2D半导体材料，这将是电子行业在硅以外的未来电子领域中的兴趣所在。

来自宾夕法尼亚州立大学的其他作者包括约书亚·罗宾逊小组的前博士研究生和合著者布莱恩·贝许（Brian Bersch），博士生王远喜（Yuanxi Wang）以及张翠祖（Cui-Zu Chang）教授、朱俊（Jun Zhu）教授、阿德里·范·杜因（Adri van Duin）教授和文森特·克里斯皮（Vincent Crespi）教授。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

When bonding noble metals to 2-D materials, interfaces matter

Abstract

Atomically thin two-dimensional (2D) metals may be key ingredients in next-generation quantum and optoelectronic devices. However, 2D metals must be stabilized against environmental degradation and integrated into heterostructure devices at the wafer scale. The high-energy interface between silicon carbide and epitaxial graphene provides an intriguing framework for stabilizing a diverse range of 2D metals. Here we demonstrate large-area, environmentally stable, single-crystal 2D gallium, indium and tin that are stabilized at the interface of epitaxial graphene and silicon carbide. The 2D metals are covalently bonded to SiC below but present a non-bonded interface to the graphene overlayer; that is, they are ‘half van der Waals’ metals with strong internal gradients in bonding character. These non-centrosymmetric 2D metals offer compelling opportunities for superconducting devices, topological phenomena and advanced optoelectronic properties. For example, the reported 2D Ga is a superconductor that combines six strongly coupled Ga-derived electron pockets with a large nearly free-electron Fermi surface that closely approaches the Dirac points of the graphene overlayer.