擬似物質の構造進化をたどる

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7559 (2022) この記事を引用

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過去 10 年間、グラフェンの人気により 2D 材料の研究が大幅に拡大しました。 二次元の元素材料やヘテロ構造の化学工学は広く研究されていますが、二次元材料の合成の基本的な理解はまだ完全ではありません。 座屈や 2D 材料の基板への界面構造などの構造パラメータは、その電子特性に直接影響します。 元素固有の成長とそれに関連する二次元材料の材料特性の調整能力の理解を進めるために、我々は、Ag(111) 上の有望な二次元材料ゲルマネンの構造進化に関する研究を実施しました。 この研究は、準自立型ゲルマネンが生成するまでの、さまざまな層厚でのゲルマニウム形成の調査を提供します。 低エネルギー電子回折、X 線光電子分光法、放射光による X 線光電子回折などの強力な表面分析ツールを使用して、発見されたすべてのゲルマニウム相の内部および界面構造を明らかにします。 さらに、\(\hbox {Ag}_2\hbox {Ge}\) 表面合金と準自立ゲルマネンの原子構造および化学構造のモデルを、構造パラメータと界面での電子相互作用に特に焦点を当てて提示します。 。

ゲルマニウムの二次元相当物であるゲルマンは、グラフェンの最初の合成と分析の過程で世界的な注目を集めました。 これにより、2D 材料の新世代の化学工学に前進が与えられ、線形ディラック様分散や並外れた高い電荷キャリア移動度など、優れた電子特性で有名になりました 1,2。 シリセン、ゲルマネン、スタネンなど、原子番号が増加する二次元の半導体材料に目を向けると、さらにトポロジカル絶縁体やスピン効果を利用する機会が開かれ、高速ナノエレクトロニクスへの道が開かれます3,4。 次世代コンピューティング技術に関しては、\({5}\,\hbox {nm}\)5 未満のサイズの電界効果トランジスタ (FET) を製造するための新しい材料を検討することは避けられません。 多数のグラフェンベースのアプリケーション6とは別に、驚くべき性能のシリセンおよびゲルマネンベースのトランジスタさえも最近実現されています7、8。 有望な 2D 材料を製造に持ち込むという課題に直面しているため、これらの材料の合成と構造形成についての理解を向上させる必要があります。

第一原理計算により、有望な電子特性を備えた座屈の少ないハニカム構造に配置されたゲルマニウムの安定した二次元相が決定されました 10。 ゲルマネンの電荷キャリアは質量のないディラック フェルミオンのように振る舞い、その移動度は金属状グラフェンよりも 2 倍大きい可能性があります 10,11。 一方、ゲルマネンの強いスピン軌道結合によりバンドギャップが開き、外部電場によってさらに調整することができます10,12。 応用のためにゲルマネンの電子的特性を制御する 1 つの方法は、構造上の重要なパラメータである座屈を把握することです。 独立したゲルマネン 13 の場合、ハニカム格子のこの波形は \(\delta ={0.69}\) Å であると計算されました。これは、そのサイズが \(sp^2\)- と \(sp^3\ の割合に直接相関しているためです) です。 )-ハイブリッド結合14． 高い座屈はゲルマネンのバンド構造の大きなバンドギャップに影響します15が、バンドギャップがシリセンよりも依然として大きく、量子スピンホール効果（QSHE）が実現できるため、座屈の低いゲルマネンも非常に興味深いです16。 さらに、ゲルマネンの座屈の大きさは、成長中のキャリア基板に強く依存します17。 Ag(111) は、銀上のゲルマネンにおけるディラックコーンの有望な予測 18、および他の基板と比較して界面での適度な相互作用と貧弱な電荷移動を考慮することにより、自立型ゲルマネンを合成するための有望な候補であることが判明しました 19、20、21。 しかし、Ag(111) 上のゲルマニウム合金相でさえ、その電子構造にディラックの特徴があります 22。