硅烯与Ag表面的作用机理及其生长机制

Silicene is a new-type electron system of Dirac-fermion with many novel physical and chemical properties demonstrating substantial potential in applications in electronics, optoelectronics and quantum. However, there is a fundamental problem encountered in the current investigation of silicene immediately need to be solved, i.e., nature of the interaction between silicene and Ag (111) substrate and the mechanism of silicene growth. Although it declared in experiments that the hexagonal honeycomb structure in two-dimension and the massless Dirac-fermion behavior of carriers have been identified, the observations conflicted and questioned each other without consensus on the nature of this fundamental problem. Starting from the initial steps of silicene growth, in the present proposal, adsorption, diffusion and growth of silicon atom and silicon nanoclusters on Ag (111) surface will be studied, and then take the influences of silicon coverage and substrate temperature into account, and finally accomplish the nature of the interaction between silicene and Ag (111) surface and the mechanism of silicene growth. Our results are expected great help in experimental synthesizing silicene of high quality, thoroughly unraveling the properties and further exploring the application potential of silicene.

硅烯是一种新型的狄拉克费米子电子体系，具有许多新颖的物理、化学性质，在电子、光电子和量子等领域有巨大的应用潜力。目前，硅烯的研究中存在一个亟需解决的基本问题，即硅烯与金属Ag（111）衬底的作用机理及其生长机制。尽管实验上声称观测到了硅烯的六角蜂巢状二维结构及其载流子的无质量狄拉克费米子行为，但是实验结果相互冲突，存在诸多疑问，对这一基本问题没有一致的结论。本申请从硅烯生长过程的初始阶段出发，研究硅原子和硅原子纳米团簇在金属Ag (111)表面上的吸附、迁移和生长过程，考虑硅原子覆盖率和衬底温度的影响，进而研究硅烯与金属Ag（111）表面的作用机理及其生长机制。本申请的研究结果对实验上合成高质量硅烯，正确理解硅烯性质和发掘其应用价值具有重要的指导意义。

硅烯是由硅原子构成的二维六角蜂巢状结构，其能带结构显示有和石墨烯一样的狄拉克锥形成，从而受到广泛关注。目前，硅烯在实验上主要通过在过渡金属表面生长制备而成。由于晶格匹配和不相溶的原因，通常选择Ag(111)表面来生长硅烯。除了Ag(111)之外，金属Ir(111)也被用来制备二维硅烯单层结构。我们研究了硅原子和硅原子团簇在Ir(111)表面的吸附和电荷转移情况，发现Ir(111)可以保持硅烯的二维连续性并且和硅烯之间存在较强的化学键作用。但是Ir(111)对硅烯褶皱结构和能带特征影响较大，破坏了其线性能带结构特征。硅烯在Ag(111)表面可以形成多种超结构，例如4×4、2√3×2√3R30°和√13×√13R13.9°等，这依赖于实验合成温度等条件。我们研究了实验上常见的4×4硅烯/Ag(111)超结构，发现硅原子电子态的线性特征被破坏掉，而电子态受影响较小。但是硅原子电子态和电子态之间会发生再杂化作用，这些再杂化的电子态和Ag原子的电子态发生杂化，而这个杂化态正是实验上观察到的线性能带的起源。在不同的超结构中，这个特征是一致的。氧化和氢化是调制硅烯电子结构和实现其应用的关键步骤。氧原子倾向于和两个相邻硅原子形成Si-O-Si键，而且硅烯倾向于最大程度吸附氧原子。热力学结果显示，随着温度的升高，氧原子仍会保持在硅烯上较强的吸附。同时，氧原子的吸附并不会明显改变硅烯和Ag(111)之间的耦合作用特征，这为解释实验上线性能带的原因提供了新的参考。Ag(111)上的硅烯在被氢化之后形成了1×1周期性的half-silicane结构。在合适的温度下（500 K），氢原子会从硅烯上解吸附，这表明Ag(111)上的硅烯可用于储氢。我们还研究了和硅同一主族的锗原子单层结构即锗烯与过渡金属Ag(111)和Cu(111)之间界面耦合作用特征。发现锗烯和这两种金属之间存在化学键作用，但依然可以保持其二维特性，证实了这两种金属可作为锗烯生长的衬底。较强的成键作用破坏了锗烯的结构对称性和电子结构，但双层锗烯和Cu(111)的界面效用表明和金属接触的锗原子单层可用作缓冲层来减弱上面一层锗烯和金属之间的耦合作用以保持其电子性质。