石墨烯又出来一个“兄弟”：二维锡烯出炉
时间: 13:57
上海交通大学与斯坦福大学的合作研究组首次制备出锡原子构成的二维材料――锡烯，但尚未证实它是否有理论所预测的超高导电效率。
物理学家称他们成功生长出了锡烯（stanene）&&锡（Sn）原子组成的二维层状结构。这种材料生长在碲化铋衬底上，呈现出蜂窝状结构。从左到右依次为显微图像、俯视图和剖面示意图。
在物理学家预言锡原子能形成一种单原子厚度的二维网格的两年后，研究人员称他们已经在实验中制备出了这种结构。文章发表在8月3日的《自然&材料》（Nature Materials）上，但研究组还没能确认锡烯是否具有理论所语言的奇异电子性质，比如在导电过程中完全不产生耗散热量等等。
锡烯的英文名为stanene，来自于锡的拉丁文名stannum（锡的原子符号Sn也来源于此），它是石墨烯最新诞生的&小弟弟&。石墨烯是由碳原子构成的二维蜂窝状晶格材料，对与之相关的其他二维材料的研究也已经有很多了：其中包括由硅原子组成的硅烯、由磷原子组成的磷烯，以及由锗原子组成的锗烯，甚至还有由不同的单层原子材料堆叠成的功能材料（见《环球科学》2015年8月号《超越石墨烯&&从二维到三维》）。
许多这类单层材料都有着超高的导电性，而锡烯（在理论上）或许还更为特别：在室温下，锡烯中的电子可以沿着网格的边缘快速运动，而不会与其他电子进行碰撞，这意味着锡烯在导电的过程中不会以热量的形式耗散能量。这是斯坦福大学物理学家张首晟2013年所做的理论工作，他也是这项最新研究的共同作者之一。
有预测表明锡烯是一种拓扑绝缘体（topological insulator），其载流子（如电子）不能穿过该材料的中间部分，但可以沿边缘自由运动，运动方向与它们的自旋（一种量子性质，自旋&向上&或者&向下&）相关。电流之所以不会耗散，是因为大多数晶体缺陷都不会影响电子的自旋，因此也不会阻挡电子的运动，这意味着锡烯薄膜或许能成为运载电流的完美高速通道&&来自普渡大学的物理学家、电子工程师叶培德说。&我一直在寻找着不仅有科研价值，还有应用潜力的材料，&他说，&这是非常有意思的工作。&
衬底的干扰
虽然张首晟和他在中国的合作者已经成功制备出了锡烯，但他们还未能确定它的拓扑绝缘体性质。他们在真空中将锡蒸发变成气体，并让锡原子一个一个地沉积在碲化铋衬底的表面上。尽管这个衬底促进了二维锡烯晶体的形成，但它也会与锡烯产生相互作用，这样的条件可不利于拓扑绝缘体的形成，张首晟说。他同合作者已经写出了另一篇论文，描述了表面条件更好的样品情况，发布在论文预印本网站arXiv上。
德国维尔茨堡大学的物理学家Ralph Claessen认为，我们还不能清楚地认为发表在《自然&材料》上的论文的作者是否真正地制成了锡烯。理论预测这种二维材料应当形成一种扭曲的蜂窝状结构，原子有上有下，形成波纹脊状结构，但张首晟和他的研究组只能通过扫描隧道显微镜（STM）看到上层原子。然而，研究组相信他们的确得到了波纹结构，或许是因为&脊&与&脊&之间的距离与理论预测相符合。
Claessen认为研究组需要通过X射线衍射等实验来直接测量材料的晶格结构，这样才能确认他们的确制成了锡烯。要做这类实验，张首晟和他的合作者还需要制备出更多、尺寸更大的材料。
来自复旦大学的张远波对于该研究则抱有更多的信心。&我认为这项工作是一个重要突破，它再次扩展了二维材料的世界，&他说，&让我们激动地期待这种材料能否满足人们的预期。&张远波因去年从黑磷中剥离出二维单层原子材料&磷烯&（phosphorene）而闻名于世。
法国艾克斯-马赛大学的物理学家居伊&勒莱是首次制备出硅烯和锗烯的研究者之一，他也对确定锡烯的电子性质充满乐观：&正如登月一样，最重要的是迈出第一步。&（撰文：Chris Cesare &翻译：丁家琦）
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