二維錫烯材料的若干進(jìn)展

蘆鵬飛

（北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院，北京100876）

1 錫及錫烯簡(jiǎn)述

錫是IV族元素，其化學(xué)符號(hào)是 Sn（拉丁語(yǔ)stannum的縮寫(xiě)），原子序數(shù)為50.錫表現(xiàn)出與第IV族元素鍺和鉛類似的化學(xué)性質(zhì)，主要以氧化物（錫石SnO2）形式存在.錫有2種主要的同素異形體：灰錫（α錫）和白錫（β錫）.在室溫下，穩(wěn)定的是白錫，一種銀白色可延展的金屬，白錫為四方晶系；但在低溫下它會(huì)轉(zhuǎn)變成密度較小的灰錫.灰錫的晶體結(jié)構(gòu)是與鉆石、硅和鍺類似的金剛石立方結(jié)構(gòu)，原子間是共價(jià)鍵結(jié)合，電子不能自由移動(dòng)，沒(méi)有金屬性.錫主要用于焊料、防腐層、合金、有機(jī)錫化合物等領(lǐng)域.其中錫與鋰金屬能形成多個(gè)金屬相，使其成為潛在的電池材料，但鋰錫合金化時(shí)體積增大以及電解質(zhì)不穩(wěn)定等問(wèn)題還需要解決.

二維材料錫烯，是錫原子以類似石墨烯的方式排列而成的六邊形單原子層，但與石墨烯不同，它在第三方向上具有褶皺高度.因?yàn)殄a的拉丁文是“stannum”，仿照石墨烯和硅烯的命名方式，將二維錫單層命名為“stanene（錫烯）”.錫烯不僅具有石墨烯的優(yōu)點(diǎn)，更是一種二維拓?fù)浣^緣體，在考慮自旋軌道耦合（SOC）的作用下，將打開(kāi)較大帶隙，被認(rèn)為是潛在的可室溫工作的拓?fù)浣^緣體，有望進(jìn)行無(wú)損耗的電子輸運(yùn)，在光電子學(xué)、微電子等器件應(yīng)用方面有重要的意義.

量子自旋霍爾效應(yīng)最初由Kane等［1］于2005年在理論上預(yù)言在石墨烯中存在，其能帶在布里淵區(qū)邊界K和K′點(diǎn)形成一個(gè)無(wú)帶隙的狄拉克錐，在SOC作用下，狄拉克點(diǎn)處會(huì)有帶隙打開(kāi).在特定參數(shù)范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)自旋極化的一維邊緣態(tài).但是由于石墨烯的SOC很弱，打開(kāi)的帶隙非常小，很難在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到.2006年，Zhang等［2］首次預(yù)言HgTe/CdTe量子阱中存在量子自旋霍爾效應(yīng).2007年，實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行了測(cè)量［3］，觀測(cè)到了邊界態(tài)上量子化的電導(dǎo)率，證實(shí)了其中的量子自旋霍爾態(tài).由于強(qiáng)的SOC，使得HgTe/CdTe量子阱中導(dǎo)帶和價(jià)帶發(fā)生反轉(zhuǎn).能帶反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生拓?fù)鋺B(tài)的標(biāo)志之一，為以后拓?fù)鋺B(tài)的初步搜索提供了便利.隨后在BiSb、Bi2Se3等三維材料中發(fā)現(xiàn)了量子自旋霍爾效應(yīng)，但由于三維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)不受保護(hù)，需要尋找具有量子自旋霍爾效應(yīng)的二維拓?fù)浣^緣體.拓?fù)浣^緣體的發(fā)展歷程如圖1所示（從石墨烯［1］到HgTe量子阱［2-3］，到第一代三維拓?fù)浣^緣體Bi1-xSbx［4-5］，到第二代三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3等［6-9］，再到二維拓?fù)浣^緣體錫烯［10］）.

圖1 拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程［1-10］Fig.1 The development history of topological insulators［1-10］

2 二維錫烯的研究進(jìn)展

2.1 錫烯發(fā)展及制備簡(jiǎn)述 2011年，中科院Yao研究組［10］研究了二維硅、鍺、錫的褶皺結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示，研究表明其具有量子自旋霍爾效應(yīng)，在自旋軌道作用下可以打開(kāi)較大帶隙，首次從理論上預(yù)測(cè)了錫烯是一種二維拓?fù)浣^緣體.同年，巴西圣保羅大學(xué)Garcia等［11］研究了類石墨烯的平面和褶皺的二維錫結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示，并研究其穩(wěn)定性和基本電子性質(zhì).通過(guò)計(jì)算結(jié)合能發(fā)現(xiàn)，二維錫的褶皺結(jié)構(gòu)比平面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且具有更大的載流子速度.

圖2 （a）二維有褶皺硅烯模型及能帶圖［10］，（b）IV族二維材料示意圖：平面類石墨烯結(jié)構(gòu)、有褶皺類石墨烯結(jié)構(gòu)、氫化/氟化有褶皺類石墨烯結(jié)構(gòu)［11］Fig.2 （a）Geometric and electronic structure of buckled silicene［10］，（b）structure sketch of group IV 2D materials：planar graphene-like structure，buckled graphene-like structure and passivated buckled structure［11］

2013年，斯坦福大學(xué) Zhang團(tuán)隊(duì)［12］通過(guò)第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)二維錫烯是具有0.3 eV的量子自旋霍爾絕緣體.首先，他們通過(guò)計(jì)算錫烯的聲子譜確定其穩(wěn)定性.計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其在K點(diǎn)附近的能量呈線性色散，在SOC作用下，0.1 eV的帶隙打開(kāi).此外，他們還嘗試通過(guò)化學(xué)官能團(tuán)修飾以調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)—F、—Cl、—Br、—I和—OH 等化學(xué)官能團(tuán)修飾可以有效打開(kāi)帶隙至0.3 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒(méi)有官能團(tuán)修飾的本征錫烯結(jié)構(gòu).通過(guò)研究氟化錫烯的能帶軌道貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)引起錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的原因是Г點(diǎn)處的s、p軌道反轉(zhuǎn).在一些官能團(tuán)修飾的情況下，Sn的pz軌道飽和，在K點(diǎn)打開(kāi)帶隙，Г點(diǎn)能帶反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出拓?fù)湫再|(zhì)，并且通過(guò)襯底或者外部應(yīng)力可以有效調(diào)節(jié)其拓?fù)湫再|(zhì)，如圖3所示.因?yàn)殄a烯理論上預(yù)測(cè)是拓?fù)浣^緣體，能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)外部邊緣或者表面?zhèn)鬏旊娮?，而不通過(guò)內(nèi)部導(dǎo)電，被預(yù)測(cè)具有100%無(wú)損耗的導(dǎo)電效率，如圖4（a）所示.因此，被認(rèn)為是有可能提高計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和降低功耗的超級(jí)材料.

圖 3 （a）二維錫烯（2D Sn），（b）鈍化后錫烯（2D SnX）俯視圖和側(cè)視圖，（c）計(jì)算出的錫烯及鈍化后錫烯的帶隙，方塊代表拓?fù)浣^緣體，圓形代表拓?fù)淦接箲B(tài)［12］Fig.3 Top and side view of（a）stanene（2D Sn）and （b）decorated stanene（2D SnX），X represents the chemical functional group，（c）calculated band gaps of stanene and decorated stanene，squares and circles mark topological and trivial insulators，respectively ［12］

但和石墨不同，錫烯的晶體結(jié)構(gòu)是基于灰錫.灰錫具有金剛石結(jié)構(gòu)而不是層狀結(jié)構(gòu)，無(wú)法像獲得石墨烯那樣通過(guò)機(jī)械剝離灰錫來(lái)得到單層的錫烯.所以，在過(guò)去幾年里，如何制備出單層的錫烯成為該研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn).

2015年，上海交通大學(xué)Zhu等［13］首次通過(guò)分子束外延的方式成功合成二維錫烯，并通過(guò)掃描隧道顯微鏡確定其原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，該篇論文現(xiàn)已被引608次.同年，印度理工學(xué)院Saxena等［14］首次通過(guò)超快激光相互作用的方法（using ultrafast laser materials interactions）成功制備出錫烯薄層，并通過(guò)HRTEM的結(jié)構(gòu)表征方法確認(rèn)其錫烯的六角對(duì)稱晶格結(jié)構(gòu).2016年，新加坡高性能計(jì)算研究所Gao 等［15］通過(guò)第一性原理的方法預(yù)測(cè)，Ag（111）表面可能是錫烯外延生長(zhǎng)的理想襯底.2018年，日本名古屋大學(xué) Yuhara等［16］證實(shí)了這個(gè)想法，在Ag（111）表面成功實(shí)現(xiàn)錫烯的大規(guī)模外延生長(zhǎng)，通過(guò)掃描隧道顯微鏡、高分辨率同步輻射光電子發(fā)射光譜，并結(jié)合第一性原理計(jì)算方法確定其晶體結(jié)構(gòu).由于與襯底之間的相互作用，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的二維錫烯的電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出具有拋物線形狀的典型二維材料能帶特征.

2018年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Deng等［17］用低溫分子束外延法成功地在Cu（111）上合成平面無(wú)褶皺的單層錫烯，模型如圖4（b）所示.結(jié)果表明Cu襯底可以使錫烯平面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且證實(shí)該結(jié)構(gòu)的錫烯在SOC作用下，將發(fā)生sp能帶反轉(zhuǎn)，在Г點(diǎn)產(chǎn)生0.3 eV的拓?fù)鋷?，首次在?shí)驗(yàn)上展示了IV族類石墨烯的拓?fù)湫再|(zhì)，該研究為探索更多的二維拓?fù)湫再|(zhì)及器件應(yīng)用打開(kāi)了大門.

圖4 （a）氟化二維錫烯邊緣導(dǎo)電示意圖，（b）無(wú)褶皺錫烯生長(zhǎng)在Cu（111）上俯視圖及側(cè)視圖［17］Fig.4 （a）Fluorined stanene can conduct electricity along its edges，（b）top and side view of planar stanene on Cu（111）［17］

2.2 錫烯基本物理特性 錫烯是一種潛在的能在室溫下工作的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，同時(shí)，由于其未飽和的pz軌道和強(qiáng)的SOC效應(yīng)，通過(guò)襯底、吸附鈍化以及其他調(diào)控，還能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇的特性，所以在理論和實(shí)驗(yàn)研究中受到廣泛的關(guān)注.短短幾年間，研究者們對(duì)錫烯基本物理性質(zhì)進(jìn)行了一系列的研究，主要包括力學(xué)性質(zhì)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、拓?fù)湫再|(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和超導(dǎo)性質(zhì).

2.2.1 力學(xué)性質(zhì) 通過(guò)基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理方法，我們研究組［18］率先進(jìn)行了錫烯受雙軸（EQ）和單軸（扶手椅方向AC和之字形方向ZZ）拉伸應(yīng)力下的彈性性質(zhì)的研究.錫烯在AC、ZZ、EQ 3種張力下的極限強(qiáng)度分別為3.079、3.496和2.83 N/m，它的楊氏模量和泊松比分別為24.14 N/m和0.39.相比其他IV族烯，錫烯較低的楊氏模量是由于其sp2與sp3混合雜化鍵能較小造成的.極限應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算值、二階彈性常數(shù)（SOCEs）和面內(nèi)楊氏模量均為正數(shù)，證明了錫烯具有的機(jī)械穩(wěn)定性.隨后，Shi等［19］用6種不同的交換關(guān)聯(lián)泛函研究了錫烯的機(jī)械性能，研究表明DFT交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇對(duì)機(jī)械性能影響不大，其計(jì)算得到的錫烯楊氏模量為26.684 N/m，錫烯最高可以承受20%的應(yīng)變而不會(huì)失去彈性和聲子的穩(wěn)定性，與我們計(jì)算結(jié)果［18］基本一致，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示.此外，Shodja等［20］研究了平面錫烯和有褶皺錫烯在單軸應(yīng)力方向下的機(jī)械性能，包括彈性模量、理想強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比，其計(jì)算的楊氏模量和泊松比為24.2 N/m和0.40，與我們計(jì)算結(jié)果［18］基本一致.通過(guò)電荷密度圖分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變超過(guò)0.35時(shí)，sp3雜化軌道轉(zhuǎn)換為sp2雜化軌道.

圖5 錫烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線［19］Fig.5 Stress-strain response of stanene［19］

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，Mojumder等［21］和Khan等［22］對(duì)錫烯的熱機(jī)械性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱電性質(zhì)進(jìn)行了研究.Mojumder等［21］研究表明，隨著溫度的升高，錫烯的斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)力均有所下降，單軸ZZ方向的斷裂強(qiáng)度高于AC方向，雙軸方向機(jī)械性能變化不明顯.Khan等［22］研究結(jié)果表明，錫烯ZZ方向納米帶的熱導(dǎo)系數(shù)均大于AC方向納米帶，ZZ方向納米帶的斷裂強(qiáng)度同樣高于AC方向的.分子動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究提供了錫烯與溫度有關(guān)的單軸和雙軸應(yīng)力加載的有用信息，可以有效地應(yīng)用于納米電子器件.

2.2.2 電子光學(xué)及磁學(xué)性質(zhì) Saxena等［14］合成了多層錫烯，研究了其光學(xué)性質(zhì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備了樣品，為多層錫烯的合成提供了佐證.John等［23］基于密度泛函理論研究了IV族烯（石墨烯、硅烯、鍺烯、錫烯）的光學(xué)性質(zhì)，計(jì)算了平行極化方向和垂直極化方向上的復(fù)介電函數(shù)和復(fù)折射率，隨著原子序數(shù)增大，靜態(tài)介電函數(shù)增大，折射率增大，在平行極化方向有最大的折射率，相關(guān)研究對(duì)預(yù)測(cè)該類材料在光學(xué)和光電子工業(yè)中的潛在應(yīng)用提供了依據(jù).Fadaie等［24］利用第一性原理，系統(tǒng)地研究了AC方向錫烯納米帶的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，沿著平面極化方向，2個(gè)主要光吸收峰位于0.5 eV和4.0 eV，隨著納米帶寬度的增大，吸收峰將略微紅移；沿著垂直極化方向，只有一個(gè)吸收峰位于1.6 eV，研究表明量子效應(yīng)對(duì)AC方向錫烯納米帶的光學(xué)性質(zhì)沒(méi)有太大的影響.

錫烯本身不具磁性，在其中通過(guò)引入具有磁性的過(guò)渡金屬原子可以調(diào)整其磁學(xué)性質(zhì).Xiong等［25］研究了空位和嵌入原子對(duì)錫烯磁性的影響，發(fā)現(xiàn)單空位（SV）和雙空位（DV）都不能使錫烯產(chǎn)生磁性，而嵌入過(guò)渡金屬可以有效地調(diào)節(jié)單層錫烯的磁矩，如圖6所示.在所有嵌入過(guò)渡金屬的雙空位體系中，嵌入Ti的體系是一種磁性半導(dǎo)體，自旋軌道耦合作用能顯著提高其帶隙.Xing等［26］研究了錫烯吸附3d 過(guò)渡金屬原子（V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）時(shí)的電子和磁學(xué)性質(zhì).錫烯吸附 V、Cr、Mn、Fe、Co時(shí)的磁矩為零，而吸附Ni、Cu、Zn時(shí)，由于吸附原子和錫烯相互作用而存在磁矩.特別地，吸附鐵的錫烯是一種雙極磁性無(wú)帶隙半導(dǎo)體，存在自旋向上的電子和自旋向下的空穴載流子，使得電荷電流和純極化電流共存.Dai等［27］研究了雙軸應(yīng)力對(duì)摻雜過(guò)渡金屬原子錫烯體系的電子和磁性性質(zhì)影響，研究表明：在摻雜Fe、Mn和Ti的錫烯體系中，雙軸應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)了過(guò)渡金屬原子的自旋極化.但是，對(duì)于Sc和Ni摻雜的錫烯體系，雙軸應(yīng)變不會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡金屬原子的自旋極化.烯的拓?fù)湫再|(zhì).更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)襯底界面處是陰離子的時(shí)候（例如 SrTe、PbTe、BaSe和BaTe），可以實(shí)現(xiàn)0.3 eV的大帶隙量子自旋霍爾態(tài)，如圖7所示.同年，臨沂大學(xué)Wang等［32］研究了在不同應(yīng)力調(diào)節(jié)下，h-BN和AlN襯底對(duì)錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）錫烯 /h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在6.0%和9.3%的應(yīng)力狀態(tài)下存在量子自旋霍爾相；2）在錫烯/2×2 h-BN的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，沒(méi)有應(yīng)力狀態(tài)下也存在量子自旋霍爾相；3）對(duì)于錫烯 /

圖6 Co原子嵌入錫烯的分波態(tài)密度圖［25］Fig.6 Projected DOS of stanene with Co atom ［25］

Qi等［28］研究了ZZ錫烯納米帶由于強(qiáng)的SOC作用，表現(xiàn)出很強(qiáng)的邊緣磁性各向異性.帶隙隨著磁化方向和邊界磁耦合的改變發(fā)生很大變化；自旋和谷自由度表現(xiàn)出明顯的退化.通過(guò)引入載流子n型和p型摻雜，可以調(diào)節(jié)磁性各向異性和邊界耦合；加入橫向電場(chǎng)時(shí)自旋和谷自由度將變化，可實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)的邊緣磁化和奇特的電子結(jié)構(gòu).Xiong等［29］研究了邊界原子對(duì)非對(duì)稱吸附氫的ZZ納米帶感應(yīng)磁矩的貢獻(xiàn).以上相關(guān)的研究為錫烯自旋電子器件的設(shè)計(jì)提供了思路.

2.2.3 拓?fù)湫再|(zhì) 2014年，清華大學(xué)的 Tang等［30］提出了一種新型的錫烯結(jié)構(gòu)，即啞鈴型錫烯，并通過(guò)第一性原理的方法確認(rèn)其穩(wěn)定性和拓?fù)湫?結(jié)果表明，二維啞鈴型錫烯是一種拓?fù)浣^緣體，在Г點(diǎn)pz和px±iy軌道反轉(zhuǎn)，并且可以通過(guò)應(yīng)力調(diào)節(jié)其帶隙大小.對(duì)于啞鈴型錫烯來(lái)說(shuō)，h-BN和InSb（111）表面都是能夠保持其拓?fù)湫再|(zhì)的合適襯底.2015年，斯坦福大學(xué)Xu等［31］通過(guò)第一性原理研究了不同襯底對(duì)錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)襯底界面、化學(xué)組分和對(duì)錫烯應(yīng)力的影響都會(huì)改變錫 h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在10%的拉伸和壓縮應(yīng)力下都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)量子自旋霍爾相；4）對(duì)于2×2錫烯/3×3 h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅施加2%的壓縮應(yīng)力就可實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾相.此研究說(shuō)明，襯底和應(yīng)力對(duì)錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的影響都非常重要.

圖7 生長(zhǎng)在SrTe（111）-Te上時(shí)錫烯對(duì)應(yīng)的能帶圖（上層錫原子被碘化）［31］Fig.7 Band structures of stanene grown on SrTe（111）-Te［31］

2015年，濟(jì)南大學(xué)Ji等［33］通過(guò)第一性原理，預(yù)測(cè)氰基修飾的錫烯（SnCN）是一種具有203 meV帶隙的拓?fù)浣^緣體，其帶隙可以通過(guò)雙軸應(yīng)力和電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)控.他們通過(guò)計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞?、螺旋邊緣狀態(tài)和Г點(diǎn)處由SOC引起的s、px，y軌道反轉(zhuǎn)來(lái)確定其拓?fù)湫?此外，通過(guò)使用鹵族元素（F、Cl、Br）來(lái)替代一部分氰基，該體系仍能保持其拓?fù)湫再|(zhì).Matusalem等［34］通過(guò)第一性原理方法研究了錫烯/氫鈍化SiC和氟化錫烯/氫（氟）鈍化SiC的異質(zhì)結(jié)構(gòu).結(jié)果發(fā)現(xiàn)，襯底的表面鈍化是保持錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的重要因素.因?yàn)橐r底的表面鈍化使得襯底與錫烯之間具有很弱的相互作用，這種較弱的范德華力使得錫烯幾乎以獨(dú)立的形式存在，所以保持了其拓?fù)湫?研究表明錫烯/氫鈍化SiC和氟化錫烯/氫（氟）鈍化SiC的異質(zhì)結(jié)構(gòu)都保持了其本身的拓?fù)湫再|(zhì).

2016年，復(fù)旦大學(xué)Zhang等［35］通過(guò)第一性原理研究了吸附鉻原子的啞鈴型錫烯的電子性質(zhì)和拓?fù)湫再|(zhì).結(jié)果表明，該體系具有量子反?；魻栃?yīng)，在Г點(diǎn)帶隙打開(kāi).該體系的拓?fù)湫再|(zhì)來(lái)源于Sn的px，y和pz的軌道反轉(zhuǎn).通過(guò)施加面內(nèi)應(yīng)力，可以調(diào)制帶隙至50 meV.同年，Zhang等［36］也提出一種半氫（鹵素）化錫烯/PbI2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)其具有90 meV的大帶隙量子反?；魻栃?yīng).在這個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，Sn的s和px，y與Pb的px，y軌道發(fā)生反轉(zhuǎn).研究發(fā)現(xiàn)，只有在沒(méi)有磁性元素的情況下，異質(zhì)結(jié)構(gòu)才有可能表現(xiàn)出量子反常霍爾效應(yīng)，如圖8所示.

圖8 量子反?；魻栃?yīng)設(shè)計(jì)示意圖［36］Fig.8 The schematic diagrams to realize the QAH effect［36］

2016年，比利時(shí)魯汶大學(xué)Houssa等［37］通過(guò)第一性原理研究了面外電場(chǎng)和納米帶寬度對(duì)錫烯拓?fù)湫再|(zhì)的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變面外電場(chǎng)的方向和大小可以實(shí)現(xiàn)錫烯從絕緣體到拓?fù)浣^緣體的轉(zhuǎn)變.對(duì)于錫烯納米帶來(lái)說(shuō)，當(dāng)寬度W＝3m-1時(shí)，其被預(yù)測(cè)為拓?fù)浣^緣體，在這種情況下，由量子限制效應(yīng)引起的帶隙值明顯小于0.1 eV，并且能帶發(fā)生反轉(zhuǎn).同年，南京理工大學(xué)Huang等［38］通過(guò)第一性原理方法研究了一種新型具有無(wú)褶皺表面的雙層錫烯結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)施加外部壓力實(shí)現(xiàn)，具有更好的穩(wěn)定性并且表面化學(xué)惰性.通過(guò)計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞亢唾M(fèi)米能級(jí)附近的自旋霍爾電導(dǎo)確定其拓?fù)湫再|(zhì).

2.2.4 熱電性質(zhì) 首先是關(guān)于本征錫烯熱電性質(zhì)的研究.由于狄拉克點(diǎn)的存在，錫烯的電熱導(dǎo)并不遵循傳統(tǒng)的魏德曼-弗朗茨定律（Wiedemann-Franz law），Zhou 等［39］從非平衡格林函數(shù)（NGWF）得到狄拉克費(fèi)米子的電導(dǎo)率，獲得修正后的WF law，以此研究了錫烯的熱傳輸特性，計(jì)算結(jié)果表明，錫烯的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于石墨烯，并發(fā)現(xiàn)錫烯室溫下的電子熱導(dǎo)率是不可忽略的，可以通過(guò)操縱電子來(lái)調(diào)控?zé)釋?dǎo)率.Nissimagoudar等［40］通過(guò)玻爾茲曼方程和密度泛函理論研究了錫烯的低熱導(dǎo)性質(zhì)，錫烯具有非常高的格律乃森系數(shù)和較低的群速度，這表明它具有很高的非諧性，與石墨烯幾乎各向同性（各向異性＜0.1%）的熱傳輸不同，錫烯表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性（15%），ZZ和AC方向的熱導(dǎo)率分別為10.83和9.2 W/mK，且室溫下有效聲子平均自由程比石墨烯低將近45倍，這表明在錫烯中的熱傳輸本質(zhì)上與石墨烯中的是完全不同的.在極其低溫下，錫烯晶格熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)來(lái)自面外聲學(xué)橫支（ZA），在較高溫度下，主要貢獻(xiàn)來(lái)自聲學(xué)縱支（LA），與石墨烯不同的是，錫烯在室溫下的晶格熱導(dǎo)率的最大貢獻(xiàn)來(lái)自LA（91%），如圖9所示.此外，通過(guò)調(diào)整樣品尺寸并在邊緣處產(chǎn)生粗糙表面以及雜質(zhì)/點(diǎn)缺陷，可以進(jìn)一步降低晶格熱導(dǎo)率.Zaveh等［41］研究了二維錫烯和鍺烯的聲子及熱學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)考慮自旋軌道耦合的情況下，會(huì)軟化聲子譜，降低ZA模聲子群速度，二維錫烯在低溫極限下的比熱取決于T2，并且錫烯的聲子群速度及熱傳輸速率都低于鍺烯.

圖9 （a）錫烯沿著AC和ZZ方向的總晶格熱導(dǎo)，（b）不同聲學(xué)支沿著AC方向的貢獻(xiàn)，（c）不同聲學(xué)支沿著ZZ方向的貢獻(xiàn)，（d）沿著ZZ方向的有效自由平均程［40］Fig.9 Temperature dependence of（a）the total lattice thermal conductivity of stanene along ZZ and AC directions，contributions to thermal conductivity from different phonon branches along （b）AC and （c）ZZ directions，and（d）the effective mean free path along the ZZ direction［40］

進(jìn)一步，錫烯納米帶以及基于錫烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以對(duì)熱電性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控.Navid等［42］通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)研究了錫烯/硅烯和雙層錫烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱電性質(zhì)，熱導(dǎo)率分別為（3.63±0.27）W/mK和（1.31±0.34）W/mK，表明異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步降低錫烯的熱導(dǎo)率，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率下降.異質(zhì)結(jié)構(gòu)較低的導(dǎo)熱系數(shù)為錫烯在熱電領(lǐng)域應(yīng)用前景提供了可能的發(fā)展方向.Peng等［43］采用非平衡格林函數(shù)方法研究錫烯納米帶（SNRs）和石墨烯納米帶（GNRs）中電子的熱輸運(yùn)特性，研究表明SNRs和GNRs的熱輸運(yùn)性質(zhì)與溫度和化學(xué)勢(shì)密切相關(guān)，通過(guò)周期性應(yīng)變誘導(dǎo)的電子聲子耦合，可以周期性地調(diào)節(jié)錫烯納米和石墨烯納米帶中的導(dǎo)熱系數(shù).Khan等［22］也發(fā)現(xiàn)無(wú)論是AC還是ZZ方向SNRs的導(dǎo)熱系數(shù)都與溫度成反比，且ZZ比AC方向的導(dǎo)熱系數(shù)高.

缺陷及摻雜對(duì)錫烯的熱電性質(zhì)也有很大的影響.Das等［44］研究了缺陷對(duì)錫烯熱導(dǎo)性質(zhì)的影響，包括隨機(jī)點(diǎn)缺陷、雙空位缺陷、Stone-Wales缺陷，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率隨著缺陷的濃度上升急劇下降，主要是由于聲子散射造成的，當(dāng)雙空位缺陷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%時(shí)，熱導(dǎo)率接近于零.Cherukara等［45］研究了碳摻雜和硅摻雜的SNRs的熱導(dǎo)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率都隨著摻雜濃度的增加而增加，隨納米帶寬增加而增加.碳硅雙摻雜方式對(duì)SNRs熱導(dǎo)系數(shù)的增強(qiáng)作用最大，單摻雜方式和邊緣摻雜方式次之.

2.2.5 超導(dǎo)性質(zhì) Ezawa［46］研究了硅烯、鍺烯、錫烯體系中出現(xiàn)的拓?fù)涑瑢?dǎo)性，通過(guò)施加光輻照和s波超導(dǎo)耦合，可以實(shí)現(xiàn)他們的拓?fù)涑瑢?dǎo)性.通過(guò)計(jì)算陳數(shù)確定了其拓?fù)湎鄨D，可以通過(guò)移動(dòng)光輻射區(qū)域，來(lái)控制Majorana束縛態(tài)，開(kāi)辟了一種新的調(diào)制Majorana費(fèi)米子的方法.Shaidu等［47］從密度泛函理論（DFT）原理出發(fā)，研究了在錫烯中摻雜堿土原子，及由此產(chǎn)生聲子超導(dǎo)的可能性，并發(fā)現(xiàn)鈣（鋰）摻雜導(dǎo)致材料具有超導(dǎo)性，進(jìn)一步可通過(guò)施加應(yīng)變或摻雜其它原子來(lái)增加超導(dǎo)臨界溫度（Tc）.Kore等［48］研究了BaBi3（超導(dǎo)體）和錫烯（拓?fù)浣^緣體）的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，BaBi3/stanene異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的拓?fù)涑瑢?dǎo)特征，并表明了Majorana費(fèi)米子的存在.Liao 等［49］發(fā)現(xiàn)了在 PbTe（111）/Bi2Te3襯底上生長(zhǎng)的幾個(gè)原子層厚度的錫烯薄膜具有二維超導(dǎo)性，這是在灰錫中首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)特性，可以通過(guò)調(diào)節(jié)PbTe層的厚度來(lái)增強(qiáng)臨界溫度Tc，如圖10所示.在能帶結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)，由具有超導(dǎo)性質(zhì)的多層錫烯和拓?fù)浣^緣性質(zhì)的Bi2Te3組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會(huì)表現(xiàn)出新奇的拓?fù)涑瑢?dǎo)性質(zhì)，該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)為構(gòu)造二維拓?fù)涑瑢?dǎo)體開(kāi)辟了新的策略.

圖10 多層錫烯的超導(dǎo)性［49］Fig.10 Superconductive properties of few-layer stanene［49］

2.3 錫烯相關(guān)結(jié)構(gòu)及調(diào)控

2.3.1 啞鈴型錫烯 啞鈴型錫烯（DB-Sn）結(jié)構(gòu)［35］是面內(nèi)面外錫原子通過(guò)類似sp3的相互作用形成的一種二維結(jié)構(gòu)，如圖11（a），這種結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的蜂窩型結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且，啞鈴型錫烯具有獨(dú)特的量子反常霍爾效應(yīng)，在Г點(diǎn)帶隙打開(kāi)，這是因?yàn)榭紤]SOC作用后，錫原子的px，y和pz軌道反轉(zhuǎn)造成的.施加3%的拉伸應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)50 meV的更大帶隙打開(kāi).Yuan等［50］研究了氰基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCN），見(jiàn)圖 11（b），發(fā)現(xiàn)其具有 52 meV的帶隙，在應(yīng)力作用下可達(dá)到322 meV，SOC作用使得其在Г點(diǎn)處的px，y軌道反轉(zhuǎn)，被證明是一種量子反?；魻柦^緣體.Wang等［51］研究了甲基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCH3），見(jiàn)圖 11（c），研究表明能帶存在s-px，y軌道反轉(zhuǎn)，具有148 meV的帶隙，存在量子自旋霍爾效應(yīng)，是一種穩(wěn)定的二維拓?fù)浣^緣體.

圖 11 （a）啞鈴型錫烯（DB-Sn）結(jié)構(gòu)［35］，（b）氰基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCN）結(jié)構(gòu)［50］，（c）甲基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCH3）結(jié)構(gòu)［51］Fig.11 Top and side views of the （a）dumbbell stanene （DB-Sn）［35］，（b）dumbbell stanene with cyano group decoration（DB-SnCN）［50］，and （c）dumbbell stanene with methyl-functionalized （DB-SnCH3）［51］

2.3.2 五元環(huán)錫烯錫烷 Li等［52］研究了五元環(huán)錫烷和氟化五元環(huán)錫烷結(jié)構(gòu).五元環(huán)錫烷中每一個(gè)錫原子是sp3雜化，與周圍4個(gè)錫成鍵，這樣形成的結(jié)構(gòu)比起生長(zhǎng)在Bi2Te3上的本征錫烯具有更低的形成能，如圖12所示.五元環(huán)錫烷和氟化錫烷分別具有1.88和2.02 eV的光學(xué)帶隙，有利于可見(jiàn)光的吸收.此外，他們具有較高的遷移率，分別為769和2 520 cm2/Vs，表明五元環(huán)錫烷和氟化錫烷可能在光電器件領(lǐng)域有較好的應(yīng)用.

2.3.3 錫烯鈍化及摻雜 由于錫烯未飽和的pz軌道，使其很容易被其他功能團(tuán)鈍化.Li等［53］研究了不同氫鈍化濃度錫烯對(duì)其電子性質(zhì)的影響.在氫鈍化飽和的情況下，不同的氫排布結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同的電子特性，包括半金屬性和半導(dǎo)體性.50%氫鈍化可以打破錫烯的π鍵，成鍵未飽和的錫原子附近就會(huì)有孤對(duì)的π電子聚集，使得錫烯轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘賾B(tài).通過(guò)調(diào)整氫鈍化的濃度可以調(diào)整其磁性大小，如圖13所示.對(duì)于雙層氫鈍化飽和的錫烯來(lái)說(shuō)，不同的堆積方式分別會(huì)導(dǎo)致其半導(dǎo)體和半金屬性的電子特性.Zhang等［54］研究了 C2X 基團(tuán)（X ＝H，F(xiàn)，Cl，Br，I）鈍化下的錫烯的拓?fù)湫再|(zhì).研究表明，C2H和C2F在本征條件下是量子自旋霍爾平庸態(tài)，在等軸拉伸應(yīng)力調(diào)控下可轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔幼孕魻枒B(tài).C2Cl、C2Br、C2I在本征條件下就是 Z2＝1 的拓?fù)浣^緣體，帶隙值分別為0.19、0.20和0.23 eV，并且h-BN可以作為其合適的襯底.

圖12 氫鈍化和氟鈍化的五邊形錫烯的俯視圖及側(cè)視圖［52］Fig.12 Top and side views of penta-SnH and penta-SnHF ［52］

圖13 蒙特卡洛模擬單位原胞內(nèi)的平均磁矩和磁化率［53］Fig.13 Monte Carlo simulations of the average magnetic moment and magnetic sus-ceptibility in per unit cell［53］

關(guān)于錫烯摻雜方面，Garg等［55］研究了B摻雜、N摻雜和B-N共摻等多種結(jié)構(gòu)的錫烯的電子性質(zhì)，并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)證實(shí)了它們的熱穩(wěn)定性，BN共摻能夠打開(kāi)錫烯帶隙，通過(guò)應(yīng)力可以讓半導(dǎo)體的性質(zhì)得以保持.Abbasi等［56］研究了 Al、B、N、P、Si、Ge替位摻雜錫烯，其中，Al、B、N、P 替位摻雜錫烯表現(xiàn)出金屬特性；而Si、Ge替位摻雜錫烯的電子結(jié)構(gòu)跟本征錫烯類似.Navid等［57］研究了C和Si單摻、共摻下的錫烯納米帶熱傳輸性質(zhì).熱導(dǎo)率隨著摻雜濃度的增加而增加，隨著納米帶寬度的增加而增加.文獻(xiàn)［58］研究了摻雜AC方向錫烯納米帶，發(fā)現(xiàn)摻雜B、Al后變成P型半導(dǎo)體，摻雜 N、P、F、Cl變成N型半導(dǎo)體，從理論上提供了氫鈍化的扶手型錫烯納米帶的N型摻雜和P型摻雜方案，并給出了電子輸運(yùn)性質(zhì)，有利于設(shè)計(jì)基于錫烯納米帶的電子器件和光電器件.

2.3.4 單層無(wú)褶皺錫烯 2018年，Deng等［17］用低溫分子束外延法成功地在Cu（111）上合成平面無(wú)褶皺的單層錫烯，如圖14所示.結(jié)果表明Cu襯底可以使錫烯平面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且證實(shí)該結(jié)構(gòu)的錫烯在SOC作用下，將發(fā)生sp能帶反轉(zhuǎn)，在Г點(diǎn)產(chǎn)生0.3 eV的拓?fù)鋷叮状卧趯?shí)驗(yàn)上展示了IV族類石墨烯的拓?fù)湫再|(zhì)，該研究為探索更多的二維拓?fù)湫再|(zhì)及器件應(yīng)用打開(kāi)了大門.

2.4 錫烯復(fù)合及功能材料 二維材料由于其單層的結(jié)構(gòu)特性，使其很容易堆積成多層結(jié)構(gòu)，層層之間是弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，這些復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)出不同尋常的性質(zhì)及新奇的物理現(xiàn)象.已經(jīng)有很多基于錫烯的復(fù)合材料的相關(guān)研究，其中研究最多的是錫烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還有比如錫烯/金屬?gòu)?fù)合體系、錫烯/h-BN、錫烯/過(guò)渡金屬硫化物、錫烯/金屬氧化物等.下面簡(jiǎn)單介紹一下幾類復(fù)合材料的相關(guān)研究進(jìn)展.

圖14 Cu（111）上生長(zhǎng)的無(wú)褶皺錫烯的幾何和電子結(jié)構(gòu)［17］Fig.14 The geometric and electronic properties of planar stanene grown on Cu（111）［17］

2.4.1 錫烯/石墨烯 Lu等研究組［59］最早進(jìn)行了錫烯石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)的研究，通過(guò)引入旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)了多種晶向的錫烯石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，控制晶格失配小于4%，由于擴(kuò)胞倍數(shù)的不同，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)有所區(qū)別.當(dāng)兩者的狄拉克點(diǎn)位于不同高對(duì)稱點(diǎn)時(shí)，狄拉克點(diǎn)會(huì)偏移費(fèi)米能級(jí)，使錫烯電子轉(zhuǎn)到石墨烯，增大了載流子濃度；當(dāng)?shù)依它c(diǎn)位于同一高對(duì)稱點(diǎn)時(shí)，會(huì)在整個(gè)能帶引入一個(gè)帶隙，但沒(méi)有保持錫烯的量子自旋霍爾態(tài).在此之后，陸續(xù)有很多關(guān)于錫烯石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的相關(guān)報(bào)道.Yun等［60］同樣通過(guò)采用不同旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)錫烯石墨烯多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)型的能帶結(jié)構(gòu)顯示出全金屬界面，而共取向結(jié)構(gòu)在半金屬特性和半導(dǎo)體特性之間的過(guò)渡處保持穩(wěn)定.這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在的pz軌道，影響到結(jié)構(gòu)的褶皺高度，進(jìn)而影響電子結(jié)構(gòu).此外，通過(guò)吸附水蒸氣可以改變?cè)搹?fù)合結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)，但對(duì)電子結(jié)構(gòu)影響不大.

Chen等［61］研究表明，錫烯與石墨烯之間的強(qiáng)相互作用，與錫烯未飽和的p軌道有關(guān)，研究的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有一定帶隙并呈電中性，既保持了石墨烯的高電子遷移率又保持了錫烯的強(qiáng)自旋霍爾效應(yīng).此外，錫烯功函數(shù)比石墨烯小，并且G（4）/Sn（2）和G（5）/Sn（/）表現(xiàn)出更好的光吸收能力.Mondal等［62］研究了石墨烯-錫烯-石墨烯這種三明治的復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在石墨烯/錫烯界面處有拓?fù)浔Ｗo(hù)雜化態(tài)，在Г點(diǎn)處通過(guò)能帶反轉(zhuǎn)和螺旋邊緣狀態(tài)分析確定了拓?fù)浣^緣態(tài)，如圖15所示.這種結(jié)構(gòu)既保留了石墨烯的高遷移率，也保留了錫烯量子自旋霍爾效應(yīng)，對(duì)于這種復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，h-BN可以是一種理想的襯底.

Khan等［63］研究了石墨烯/錫烯缺陷結(jié)構(gòu)的熱傳輸性質(zhì)，研究表明無(wú)缺陷的石墨烯/錫烯結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅烯、磷烯等其他二維材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu).隨著溫度升高及晶體寬度下降，熱導(dǎo)率下降.缺陷附近的聲子散射可以有效地降低熱導(dǎo)，缺陷濃度越高，熱導(dǎo)越低，其中影響比較大的是邊緣缺陷和點(diǎn)缺陷.

圖15 石墨烯-錫烯-石墨烯三明治結(jié)構(gòu)能帶圖［62］Fig.15 The band structure of graphene-stanene-graphene QW［62］

2.4.2 錫烯/金屬 錫烯在一些金屬表面上能夠?qū)崿F(xiàn)外延生長(zhǎng)，如 Ag（111）、Sb（111）.Gao 等［15］通過(guò)第一性原理研究錫烯和Ag（111）表面的相互作用.通過(guò)變換外延關(guān)系，可以形成不同的外延錫烯結(jié)構(gòu)，這些外延錫烯結(jié)構(gòu)仍保持著六角蜂窩晶格結(jié)構(gòu).錫烯單層與Ag（111）表面的距離大概在0.241～0.248 nm，說(shuō)明錫烯與Ag（111）存在化學(xué)相互作用.因?yàn)閷娱g距跟Ag（111）表面階梯高度差不多，所以錫烯能夠連續(xù)生長(zhǎng)并跨越Ag（111）表面階梯.通過(guò)刻蝕Ag襯底之后，錫烯的外延結(jié)構(gòu)能夠完全恢復(fù)到錫烯本身的晶格結(jié)構(gòu).此外，Sn原子在Ag（111）表面上的擴(kuò)散勢(shì)壘僅為0.04 eV，而且可以均勻擴(kuò)散，如圖16所示.說(shuō)明錫烯在Ag（111）表面上的外延生長(zhǎng)可以在低溫下實(shí)現(xiàn).Gou等［64］實(shí)現(xiàn)了stanene納米帶在Sb（111）上的外延生長(zhǎng).在 Sb（111）表面上 stanene受到壓縮應(yīng)力，出現(xiàn)拓?fù)湫再|(zhì).Fang等［65］研究了stanene/Ge（111）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)stanene/Ge（111）（2×2）表面出現(xiàn)典型的狄拉克錐.通過(guò)計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞亢湾a烯納米帶的邊緣態(tài)計(jì)算，說(shuō)明stanene/Ge（111）（2 ×2）表面是拓?fù)浣^緣態(tài).

圖16 錫原子在Ag（111）擴(kuò)散路徑上的能量變化（實(shí)線）和高度變化（虛線），以及對(duì)應(yīng)的俯視圖和側(cè)視圖［15］Fig.16 Energy profiles（solid line）and height variation（dash line）of Sn adatom diffusion along a representative path on Ag（111）surface［15］

2.4.3 錫烯/h-BN 研究表明，h-BN是一種有利于錫烯生長(zhǎng)的合適襯底.Wang等［66］分別研究鍺烯、硅烯、錫烯與h-BN形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并考慮了對(duì)稱和非對(duì)稱2種構(gòu)型.研究發(fā)現(xiàn)，襯底作用、異質(zhì)結(jié)構(gòu)形式、電場(chǎng)之間的協(xié)同作用，可以用來(lái)調(diào)節(jié)拓?fù)湎嘧儯鐖D17所示.對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，h-BN可以保持其晶體結(jié)構(gòu)和電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，h-BN襯底可以產(chǎn)生電勢(shì)與外部電場(chǎng)作用相互抵消.Khan等［67］研究了錫烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明狄拉克點(diǎn)處有30 meV的直接帶隙，費(fèi)米速度大約是0.53×106m/s.計(jì)算的有效質(zhì)量為0.05m0，說(shuō)明可能具有比較高的遷移率.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的錫烯具有未飽和的π軌道，說(shuō)明電子載流子只是在錫烯層傳輸，而h-BN是提供了一個(gè)好的襯底，并且計(jì)算了不同應(yīng)力和層間距的條件下的電子性質(zhì)變化，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有合適的帶隙和較高的載流子遷移率.

2.4.4 錫烯過(guò)渡金屬硫化物 Xiong等［68］研究了二硫化鉬錫烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究表明異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高遷移率的特性，能成功打開(kāi)直接帶隙；電子將從錫烯轉(zhuǎn)移到二硫化鉬，形成一個(gè)內(nèi)在電場(chǎng)；同時(shí)應(yīng)力可以有效改變其帶隙值，增加載流子濃度.在內(nèi)在電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，考慮外加電場(chǎng)，可以打開(kāi)帶隙并導(dǎo)致直接到間接帶隙的轉(zhuǎn)變.外加電場(chǎng)也可以抵消內(nèi)建電場(chǎng)的作用，使得結(jié)構(gòu)重新獲得狄拉克錐.Chen等［69］研究了錫烯二硫化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的層間距為0.3 nm，每個(gè) Sn原子的結(jié)合能為-51.8 meV，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中保留了近似線性的能帶色散.可以通過(guò)調(diào)節(jié)層間距、外部電場(chǎng)和應(yīng)力來(lái)調(diào)節(jié)帶隙大小和狄拉克點(diǎn)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的位置，以及電子有效質(zhì)量等.

圖 17 拓?fù)洚牨冢―W）［66］Fig.17 Topological domain walls［66］

2.4.5 錫烯/金屬氧化物 Wang等［70］研究了錫烯/Al2O3異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示錫烯在Г點(diǎn)具有0.25 eV的拓?fù)淠軒?通過(guò)計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞亢蜔o(wú)帶隙邊緣態(tài)來(lái)確定其拓?fù)湫再|(zhì).錫烯與襯底在原子層面上鍵合，但是電子層面上相互獨(dú)立，保證了其高度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和孤立的量子自旋霍爾態(tài).同樣地，錫烯與襯底之間存在電荷轉(zhuǎn)移.Araidai等［71］研究了錫烯/α-Al2O3，分別研究了3種不同層間距的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明其電子性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴于層間距大小.考慮了SOC作用后，可以觀察到由Rashba引起的能帶分裂，而且層間距對(duì)帶隙大小的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SOC作用對(duì)帶隙的影響.異質(zhì)結(jié)構(gòu)中錫烯的電子態(tài)主要是受Sn—O反鍵態(tài)的影響.Cao等［72］研究了錫烯/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下層間距為0.3 nm，會(huì)打開(kāi)大約60 meV的帶隙，帶隙值可以通過(guò)電場(chǎng)和應(yīng)力調(diào)整；在壓縮應(yīng)力下，能帶可以由間接變?yōu)橹苯?；在光學(xué)性質(zhì)方面，結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的紫外線吸收能力.Ding等［73］研究了錫烯及碘化錫烯分別與InSe和GaTe構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖18所示.在InSe和GaTe襯底作用下，狄拉克型的能帶結(jié)構(gòu)仍被保留，并且在SOC作用下，帶隙也可以被成功打開(kāi)，在碘化錫烯/GaTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)中還存在這大帶隙的量子自旋霍爾效應(yīng).因?yàn)橐r底作用，碘化錫烯的價(jià)帶頂表現(xiàn)出Rasha分裂，進(jìn)一步可以通過(guò)層間距來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖18 （a）Sn-InSe和（b）SnI-GaTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)俯視圖及側(cè)視圖［73］Fig.18 Top and side views of （a）Sn-InSe and （b）SnI-GaTe heterostructures［73］

2.5 錫烯功能材料

2.5.1 氣體吸附功能材料 Chen等［74］系統(tǒng)地研究了小分子（CO、NH3、H2O、H2S、O2、NO和NO2）在錫烯上的最佳吸附位點(diǎn)和分子摻雜的類型，并討論了分子與錫烯之間的相互作用機(jī)理.研究結(jié)果表明，錫烯對(duì)氮基和氧化分子更敏感，這是由這些小分子吸附引起的電荷轉(zhuǎn)移造成的.錫烯單層的功函數(shù)對(duì)不同分子有明顯的響應(yīng)，這表明通過(guò)選擇性吸附這些小分子可以有效地調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)壘.此外，還研究了吸附 CO、NH3、H2O、H2S、O2、NO和NO2分子的錫烯的光學(xué)性質(zhì).錫烯對(duì)于不同氣體的靈敏度和選擇性，表明它在氣體傳感器和高性能催化劑領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用.Nagarajan等［75］使用DFT方法研究了包括NH3和NO2分子在錫烯和錫烷上的吸附行為，研究發(fā)現(xiàn)NH3和NO2在錫烯和錫烷上的最佳吸附位置，并發(fā)現(xiàn)錫烯和錫烷更容易吸附NO2，表明錫烯和錫烷可用作檢測(cè)大氣中NO2和NH3氣體分子.

Abbasi等［76］研究了 TiO2/錫烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)與有毒分子SOx［77］以及NO2和O3分子的吸附行為，這些分子都將穩(wěn)定地化學(xué)吸附在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上，并且相比于摻N的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，不摻N的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能更有效地與氣體發(fā)生反應(yīng).研究結(jié)果表明，TiO2/錫烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可用于檢測(cè)不同氣體分子，在新型高靈敏度氣體傳感器方面有著潛在的應(yīng)用，如圖19所示.Abbasi等［78］還構(gòu)建了沿AC方向和ZZ方向的錫烯納米管，研究其幾何、電子和吸附性質(zhì)，AC方向錫烯納米管是半導(dǎo)體，ZZ方向?yàn)榘雽?dǎo)體和導(dǎo)體.臭氧分子（O3）能與錫烯納米管相互作用分解成氧氣（O2），結(jié)果表明錫烯納米管對(duì)有害臭氧氣體檢測(cè)具有優(yōu)異的傳感特性.他們還研究了錫烯納米管對(duì)SO3分子的吸附作用［79］，更大的納米管對(duì)分子的吸附力更強(qiáng)，吸收時(shí)SO3將接受電子，說(shuō)明錫烯納米管也可用來(lái)探測(cè) SO3分子.Abbasi等［80］通過(guò)第一性原理研究錫烯作為NO2、SO2、CO2氣體傳感器的能力.通過(guò)對(duì)錫烯摻雜B原子，能夠提高對(duì)氣體的敏感度.錫烯對(duì)NO2、SO2是強(qiáng)化學(xué)吸附，形成Sn—N鍵和Sn—O鍵，對(duì)CO2是比較弱的物理吸附.錫烯在本征條件下是無(wú)帶隙的，摻雜B原子后有小的帶隙出現(xiàn)，并且吸附氣體后這一電子結(jié)構(gòu)也沒(méi)有發(fā)生改變.

圖19 基于新型TiO2/錫烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器裝置示意圖［77］Fig.19 Schematic illustration of a gas sensor devices based on novel TiO2/Stanene heterostructure［77］

Bhuvaneswari等［81］構(gòu)建錫烯納米管并將其用于三甲胺（TMA）和正丁胺（n-BA）的探測(cè).在TMA和n-BA分子的相互作用下，錫烯納米管在不同能級(jí)的電荷密度發(fā)生了變化.由于TMA和n-BA分子的吸附，在透射光譜中觀察到電子沿著錫烯納米管的傳輸.I-V特性曲線顯示了由于電子轉(zhuǎn)移而吸附分子時(shí)的電流變化.Wang等［82］研究在錫烯中吸附小氣體分子，如 CO、H2O、NH3、NO和NO2.研究結(jié)果表明，H2O、NH3和CO分子在錫烯單層上為物理吸附，NO和NO2分子被發(fā)現(xiàn)在錫烯上為化學(xué)吸附，并且具有相當(dāng)大的電荷轉(zhuǎn)移，相當(dāng)大的吸附能和強(qiáng)的共價(jià)（Sn—O）鍵，從而改變錫烯單層的電子特性.

2.5.2 氣體提純功能材料 Gao等［83］通過(guò)第一性原理方法來(lái)分析無(wú)缺陷二維錫烯和氟化錫烯用于氫提純的應(yīng)用.氟化錫烯表現(xiàn)出較好的氫提純能力，而且氫提純表現(xiàn)可以通過(guò)施加應(yīng)力來(lái)調(diào)節(jié)其平衡滲透性和選擇性.進(jìn)一步，Gao等［84］研究了二維錫烯、氫化錫烯、氟化錫烯用于從惰性氣體里分離出He（氦氣），因?yàn)槠渚哂忻芏雀叩木鶆蚨嗫捉Y(jié)構(gòu).室溫下，錫烯是不具有惰性氣體滲透性的.為了增強(qiáng)惰性氣體的遷移率，考慮到可以氫化和氟化.另外，還可以通過(guò)施加應(yīng)力來(lái)調(diào)節(jié)提純氦氣的性能表現(xiàn).

2.5.3 金屬離子電池材料 Kadioglu等［85］研究了堿性和堿土金屬原子在錫烯上的吸附行為，結(jié)果表明，錫烯具有類似于石墨烯或硅烯的反應(yīng)性和可官能化的表面.除了Be原子之外，錫烯的空心位點(diǎn)是堿金屬原子（Li、Na、K）和堿土原子（Mg 和 Ca）最有利的位置，它們更喜歡橋接點(diǎn)結(jié)合.吸附能在-1.330和-3.058 eV之間變化.由于Be和Sn原子之間的強(qiáng)相互作用（取代），在Be原子吸附中觀察到值為-3.058 eV的最高吸附能.堿金屬、堿土原子的s態(tài)和錫烯的p態(tài)之間的雜化對(duì)于它們與錫烯的強(qiáng)結(jié)合是有效的.半金屬的錫烯在Be原子吸附上顯示具有94 meV帶隙的半導(dǎo)體行為，而在Li、Na、K、Mg和 Ca原子吸附時(shí)它變成金屬.Mortazavi等［86］研究了硅烯、鍺烯、錫烯對(duì)鈉、鋰離子吸附的理論研究.在這些單層烯中找到單個(gè)Na或Li原子的最穩(wěn)定的結(jié)合位點(diǎn)及其相應(yīng)的結(jié)合能，然后逐漸增加離子濃度，直到達(dá)到表面的完全飽和，結(jié)合能幾乎保持恒定，最大的吸附濃度只能到1，超過(guò)后將引起結(jié)構(gòu)的形變，如圖20所示［87］.在所有情況下，六邊形空位點(diǎn)為離子提供了最大的結(jié)合能.基于Bader電荷分析，預(yù)測(cè)分別使用單層硅烷、鍺烷和錫烯的Li或Na離子存儲(chǔ)的最大理論容量約為 954、369 和 226 mAh/g.Lu 等研究組［87］在錫烯中引入周期性排列的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在研究了孔洞形成過(guò)程及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，探索了其在金屬離子電池方面的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)錫烯納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)鈉的吸附能力以及吸附濃度，最大吸附濃度達(dá)到1.61，最大理論容量為362.8 mAh/g，相比錫烯提高了60%，如圖20所示.還提供了更多的擴(kuò)散路徑，使鈉離子能夠在錫烯整個(gè)表面擴(kuò)散，并降低了擴(kuò)散勢(shì)壘，最低勢(shì)壘為0.15 eV.Lu等研究組［87］的研究結(jié)果表明，錫烯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在鈉離子電池電極材料方面有潛在的應(yīng)用，同樣說(shuō)明了在二維材料中引入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將會(huì)是提高二維材料作為電極材料性能的有效方法.

圖20 （a）錫烯納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型圖，（b）開(kāi)態(tài)電壓，（c）最大理論電容［87］Fig.20 （a）Geometric configurations of three types of stanene nanomesh （SnNM），（b）calculated voltage profiles，and （c）theoretical capacities［87］

2.5.4 自旋電子器件應(yīng)用 Marin等［88］提出了一種基于錫烯的自旋電子器件，如圖21所示.該裝置基于窄的錫烯納米帶的帶隙的調(diào)制，和導(dǎo)帶和價(jià)帶狀態(tài)的邊緣局部化性質(zhì).利用該特性，該裝置通過(guò)帶隙調(diào)節(jié)和電場(chǎng)調(diào)制來(lái)控制帶間隧穿電流，室溫下，在0.3 V/nm的電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的自旋極化.總電流的自旋極化可以通過(guò)傳輸特性的差分調(diào)諧以及通過(guò)施加面內(nèi)電場(chǎng)對(duì)不同自旋的邊緣狀態(tài)的占據(jù)來(lái)調(diào)制.

3 小結(jié)與展望

圖21 基于錫烯的自旋電子器件示意圖［88］Fig.21 Schematic illustration of spin electronics based on stanene

錫烯是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種新型二維材料，是一種具有褶皺高度的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，更是一種可能在室溫下工作的大能隙二維拓?fù)浣^緣體.同時(shí)，第一性原理計(jì)算也預(yù)言錫烯有可能具有更加復(fù)雜的啞鈴狀原胞結(jié)構(gòu)，啞鈴狀結(jié)構(gòu)的錫烯和褶皺形錫烯的拓?fù)涮匦允且恢碌模簿哂?00 meV量級(jí)的能隙.通過(guò)合適的襯底選擇、鈍化、應(yīng)力調(diào)制等手段，還能在錫烯上實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇特性，使得錫烯在未來(lái)的更高集成度的電子學(xué)器件和量子器件發(fā)展應(yīng)用方面具有重要的意義.

雖然進(jìn)行了一系列理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究，取得了一些可喜的成果，但是在錫烯的本征物理性質(zhì)、生長(zhǎng)制備以及應(yīng)用方面，仍存在著一些未解決的問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)上成功制備出平面無(wú)褶皺的單層錫烯，展示了VI族類石墨烯的拓?fù)湫再|(zhì)，該研究為探索更多的二維拓?fù)湫再|(zhì)及器件應(yīng)用打開(kāi)了大門，相關(guān)研究還較少，對(duì)它的基本物性及相關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步深入研究.