近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所曹更玉研究組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士研究組合作，在新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的制備研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果與中科院物理所以共同第一作者單位合作發(fā)表在Advanced Materials（2014，26，4820）雜志上。

　　近年來(lái)石墨烯研究在世界范圍內(nèi)掀起熱潮。到目前為止，研究人員已相繼制備出碳元素構(gòu)成的石墨烯和硅元素構(gòu)成的硅烯，并探索其蜂窩狀結(jié)構(gòu)非同尋常的電子學(xué)性質(zhì)。隨著對(duì)石墨烯研究的不斷深入，研究人員把目光轉(zhuǎn)向了與碳和硅同族的鍺元素。理論研究證明自由狀態(tài)的單層起伏的鍺蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在[S. Cahangirov, et al.Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009)]，這種起伏的鍺蜂窩結(jié)構(gòu)具有量子自旋霍爾效應(yīng)的性質(zhì)[C.-C. Liu, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)]，通過摻雜，其高溫超導(dǎo)性質(zhì)也被預(yù)測(cè)出來(lái)[G. Baskaran, arXiv:1309.2242 (2013)]。二維蜂窩狀鍺材料具有如此重要的電子學(xué)特性，然而，制備由鍺元素單質(zhì)構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)至今未見報(bào)道。

　　武漢物數(shù)所秦志輝副研究員帶領(lǐng)博士研究生盧雙贊與中科院物理所高鴻鈞院士研究組合作，在金屬基底Pt(111)上通過精細(xì)優(yōu)化外延生長(zhǎng)條件成功制備出鍺的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，首次實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了“單層起伏的鍺蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在”的理論預(yù)言。通過低能電子衍射和掃描隧道顯微學(xué)的原位精細(xì)表征發(fā)現(xiàn)，鍺的二維蜂窩結(jié)構(gòu)相對(duì)Pt(111)基底形成一個(gè)(Ö19´Ö19)R23°周期性的超結(jié)構(gòu)，這一超結(jié)構(gòu)恰好對(duì)應(yīng)于鍺烯晶格的(3´3)結(jié)構(gòu)。研究人員結(jié)合第一性原理計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種超結(jié)構(gòu)模型，并通過電子局域函數(shù)的計(jì)算揭示了鍺烯的連續(xù)性，證明鍺烯中的Ge原子以共價(jià)鍵結(jié)合而形成鍺的二維蜂窩狀晶格材料。鍺烯具有比石墨烯和硅烯更強(qiáng)的自旋軌道耦合能隙，制備鍺的類石墨烯結(jié)構(gòu)對(duì)未來(lái)電子學(xué)極其重要，相關(guān)電子學(xué)表征正在進(jìn)行中。

　　該項(xiàng)研究工作得到了科技部A類“973”項(xiàng)目的大力支持。秦志輝副研究員在近日舉行的2014年石墨烯研究最新進(jìn)展國(guó)際會(huì)議上，通過題為Graphene-Like Two-demensional Germanene Formation on Pt(111) 的Poster將該研究成果向大會(huì)進(jìn)行了展示，并獲得了大會(huì)評(píng)選出的“Best Poster Award”。

　�。ㄗ螅╂N烯高分辨STM圖像(U = 1 V, I = 0.05 nA)，（右）第一性原理計(jì)算獲得的Pt(111)上蜂窩狀鍺烯結(jié)構(gòu)的原子弛豫模型，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。