半导体衬底上锑烯的生长及磁性调控研究

Antimonene, a two-dimensional (2D) graphene-like atomic crystal with single element Sb, has attracted intense attention of scientists in recent years, for its suitable wide energy gap, strong spin-orbit coupling and ultra high carrier mobility. In this project, we will synthesize high-quality antimonene with controlled adsorption on different semiconductor substrates, and investigate the energy bandstructure and electronic properties via spin-polarized Scanning Tunneling Microscop (spin-STM) and Angular Resolution Photoelectron Spectrscopy (ARPES). In this project, we will investigate the effect of lattice-mismatch induced strain on the energy bandstructure of antimonene, and establish the relationship between the strain and the energy bandgap; Further, we will regulate the magnetic properties of antimonene via transition-metal adatoms, and focus on the possible quantum phenomena: Kondo effect, or Quantum anomalous hall state. From this project, we hope to have a deep undstanding of the physical mechanisms that regulate the energy bandstructure and magnetic properties of antimonene, and provide experimental and theoretical supports for the application of antimonene for the future optoelectronic devices and spintronic devices.

具有类石墨烯结构的二维锑烯，由于具有较宽的带隙、强的自旋轨道耦合、以及超高载流子迁移率的性质，引起了科学界的广泛关注。本课题将开展不同半导体衬底上高质量锑烯的可控生长和可控吸附，并利用自旋分辨的扫描隧道显微镜(spin-STM)和角分辨光电子能谱仪(ARPES)研究锑烯的能带结构和电学、磁学性质。在本项目中，通过衬底晶格失配，在锑烯中引入应变从而调控其能带结构；通过过渡金属元素的可控吸附，实现对锑烯磁性的调控，并着重研究其中可能出现的量子现象：近藤效应，或者量子反常霍尔态。拟通过本课题的研究,深入理解锑烯材料中电子能带结构和磁学性质被调控的物理机制，为锑烯在未来光电子器件和自旋电子器件中的应用提供关键的实验技术和原理方面的支撑。

具有类石墨烯结构的二维层状材料-锑烯，由于具有较宽的带隙、强的自旋轨道耦合、超高载流子迁移率，以及优良的热电性质和结构易调控等特点，成为未来高性能低能耗的电子器件的候选材料，引起了科学界的广泛关注。本研究项目在几种单晶衬底上（常见金属单晶衬底，云母）上通过超高真空中分子束外延技术，生长大面积的二维锑烯样品。并通过XPS, RHEED, STM和ARPES等实验手段研究了二维锑薄膜的生长过程，和不同衬底对锑薄膜结构和性质的影响。通过研究发现，在Ag(111)和Au(111)表面生长二维锑薄膜的时候,会先在表面合金化。而完全合金化的表面是生长二维Sb薄膜的理想衬底。我们的研究发现利用MBE方法可以在SbAg2和SbAu2表面生长重构的半层α-Sb，并通过half-layer-by-half-layer (HLBHL)生长机制得到全层α-Sb。强烈的化学相互作用和相称的晶格促成了该有趣的生长方法。由于衬底晶格常数的差异，在不同的合金衬底上半层α-Sb表现出明显差异化的晶格应变，并显著地调控电子性能。HLBHL生长机制可以在不同的合金表面大量生产半层和全层α-Sb，本研究为通过界面相互作用实现不同应变的二维褶皱材料提供了一条途径。我们还首次在Al(111)表面生长了二维Sb薄膜的生长，实现两种构型：三角形构型和类Kagome构型。通过控制沉积时间和退火温度可以实现三角型结构和类Kagome结构之间的转变。而Kagome结构是一种非常有意思的量子结构，其非平庸的平带和拓扑性质将会对输运和磁性产生重要影响，值得进一步研究。除此之外我们还在云母衬底上实现了较大面积的Sb薄膜的生长。通过本项目的执行，对于研究本征Sb的性质和其中的新奇量子效应打下了比较坚实的基础。