中国最先用过渡金属元素构造二维原子晶体材料

中科院物理所首次发现相关成果发表于《纳米快报》

本报讯(记者闫洁)记者日前从中科院物理所获悉，该所高鸿钧研究组的科研人员首次发现了制备铪烯二维蜂窝状原子晶体的方法，从而向实现非碳元素的类石墨烯二维蜂窝状结构迈出了重要一步。相关成果发表在近期出版的《纳米快报》杂志上，并被《自然中国》和《自然—纳米技术》作为研究亮点进行了报道。

据了解，石墨烯的非凡性质根源于其蜂窝状晶格中的粒子隧穿。近年来，随着石墨烯研究的兴起，人们开始关注其他新型二维蜂窝状材料。此前，高鸿钧研究组在铱(111)衬底上成功制备出硅烯，成为目前国际上报道的制备硅烯的三种方法之一。不过，从现有报道的单层二维蜂窝状材料来看，它们只是由元素周期表中的p区元素构成的(例如碳、硅)。

过渡元素二维蜂窝状结构的实现，对于研究过渡元素电子、自旋和催化性质具有重要意义。尤其是过渡金属元素中的铪是当今半导体科学和技术中最重要的元素之一，制备出铪的类石墨烯结构对于未来电子学发展极其重要。然而，由d电子过渡金属元素单质构成的二维蜂窝状结构至今未见报道。

此次研究人员通过分子束外延生长方法，获得了d电子过渡金属元素的单层平面二维蜂窝状结构。实验观测结果表明，在铱(111)基底表面，铪原子形成了自己的二维蜂窝状晶格，并且近邻铪原子的间距与体状铪内部的原子间距极其接近。这些结果突破了二维蜂窝状结构由p区元素构成的现状。

研究人员对实验结果进行理论计算与模拟后发现，这类由元素周期表中d区元素构成的二维晶体材料，其几何和键结构与石墨烯类似，被称为d电子烯或者金属烯—铪烯。这种d电子金属元素构成的二维蜂窝状结构，比石墨烯具有更强的自旋轨道耦合，为研究二维体系中新的量子现象和电子行为提供了全新平台。