基于二维材料异质结界面插层保护的单层Pb、Sn的制备及其界面性质的扫描隧道显微镜研究

In this project, we will synthesis two-dimensional heterostructures based on the vertical stacking of graphene, molybdenum disulfide and boron nitride. Furthermore, we use the scanning tunneling microscopy to reveal the intercalation mechanism of metal atoms into these heterostructures. We choose the Pb, a superconductor; Sn and its corresponding compounds, which are quantum spin hall insulators. Firstly, we will investigate the superconductivity of monolayer and multilayer Pb, through tuning the interfacial interactions and the atomic packing structure by using different substrates; secondly, we will modify the intercalated metals by using chemical functionalization to effectively tune the quantum spin hall states; finaly, we will try to expand the application of these intercalated materials to reveal space by encapsulating them into the heterostructures. We mainly utilize the combined in-situ ultra-high vacuum deposition system and low-temperature magnetic scanning tunneling microscopy, to reveal the intercalation mechanism at atomic scale. The uniformity of the intercalated materials will be realized by controllable synthesis of the interfacial layer with regular defects. We aim to develop a versatile interfacial protection method, broadening the comprehensive application of the superconductors and topological insulators.

本课题利用石墨烯、二硫化钼、氮化硼等二维材料构建垂直堆叠异质结结构，将金属原子插层于异质结内，利用扫描隧道显微镜研究其插层机理,结合低温、磁场,与扫描隧道谱学研究界面对金属层电子态的影响。选择具有超导性质的铅、量子自旋霍尔绝缘体锡及其化合物作为插层材料，一方面通过衬底调控界面作用及原子排布，研究衬底对单层及多层铅的超导电性影响及超导机理分析；另一方面利用分子自组装结合界面插层方法对插层锡进行化学修饰，实现量子自旋霍尔态的有效调控;从而实现利用异质结封装的手段将单层金属进行界面保护，拓展该类材料在真实环境中的应用。本实验利用原位生长，原子层沉积与低温、磁场扫描隧道显微镜结合的手段，从原子尺度理解金属插层机理；通过制备具有可控缺陷位的表面层实现插层金属的界面均匀性。将发展一种通用的二维材料界面保护方法，拓展超导及拓扑绝缘体材料的广泛应用。

本项目通过构建异质结结构来实现金属的插层保护，利用扫描隧道显微镜研究其插层机理，结合扫描隧道谱学研究插层后界面电子态的变化。在构建异质结结构过程中，选择不同的有机分子做为构建主体，研究了包括六溴苯和三聚氰胺等分子在Au(111)衬底上吸附、分解和相变过程的机理，通过理论计算支持，提出了一种新的基于带负电Br原子参与的卤素键；利用六溴苯和三聚氰胺共沉积分相的现象，实现了对三聚氰胺分子由平躺到垂直吸附的构型转变，为三维自组装结构的构建提供了一种新的思路；选择石墨烯/Ge(110)作为衬底，利用STM研究了单晶石墨烯的生长机理，发现了Ge与石墨烯之间H的存在，以及H稳定Ge的（1×1）重构，从而使石墨烯的zigzag边与[1-10]方向垂直，是保证石墨烯单晶生长的关键。利用原位分子束沉积实现了单层Pb在石墨烯/Ge(110)界面的插层，Pb的存在使石墨烯表面出现了电荷密度波的调制，表现出周期的波纹状结构；选择一种含吡啶氮的有机分子作为前驱体，在Au(111)分解过程中形成了“量子栅栏”，对分子分解过程进行研究，发现分子通过吡啶N可以在表面上移动，并进一步在Au(111)重构的诱导下形成链状排列而围成分子栅栏。本项目前已完成了Pb在石墨烯/Ge间的插层机理研究及石墨烯电子态结构的表征，在分子表面界面反应中取得了一系列新的成果，通过利用STM研究其表面吸附、分解、组装的行为，为进一步理解表面在位化学反应中官能团和中间产物对最终结构的影响，以及基于特定基团构建新颖的二维材料和结构提供了有价值的指导。