近日，理论物理研究所张丽莹博士生在李顺方教授、贾瑜教授和中国科学技术大学崔萍教授、张振宇教授的指导下，在具有单原子层厚度二维材料锡烯的生长机理与性能调控方面取得重要进展，相关成果在线发表在物理类期刊《Nanoscale》（影响因子7.233）（论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/nr/c8nr05815f#!divAbstract）。张丽莹博士生为论文第一作者，李顺方教授、崔萍教授为共同通讯作者。

自从2004年曼切斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（二人获得2010年诺贝尔物理奖）成功分离出单原子层的石墨材料--石墨烯（Graphene）之后，新奇二维材料的制备、表征、性能调控等已经成为当今凝聚态物理、材料物理等交叉学科重点关注的热点课题。除石墨烯以外，第四主族（IVA）元素对应的各种二维材料硅烯、锗烯等也相继被预言并在实验室制备出来。在IVA元素二维材料家族中，锡烯由于其更强的自旋轨道耦合效应，被众多理论物理学家预言具有石墨烯、硅烯和锗烯所不具备的奇异物理特性，比如：拥有较大能隙的二维量子自旋霍尔态、在室温下实现低损耗的电导、拓扑超导、以及近室温下的反常量子霍尔效应等。与此相应，高质量2D锡烯单晶的制备已经是二维材料领域中一个极富挑战性的科学问题。

我国实验物理学家在此领域做出了醒目贡献。最近，上海交通大学贾金锋教授团队及其合作者采用分子束外延在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃(111)表面上成功制备出了具有上下起伏褶皱的单原子层厚度的二维锡烯材料[Zhu, et al.,Nat. Mater.14, 1020 (2015)]。另外，实验上，在Sb(111)和InSb(111)衬底上也已经实现了单层锡烯薄膜的生长，清华大学薛其坤课题组及其合作者在PbTe覆盖的Bi₂Te₃(111)上制备出具有新型超导特性的少层锡烯薄膜[Liao, et al.,Nat. Phys. 14, 344 (2018)]。然而，迄今为止实验上制备出来的2D锡烯的单晶特性还难以令人满意，其生长机制和调控机理还不清楚，已经成为制约锡烯材料在下一代量子器件中应用的重要因素。

张丽莹博士生在上述几位老师的指导下，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法探索基于Bi₂Te₃(111)衬底的锡烯生长机制，得到了一系列很有意义的研究成果。首先，理论计算结果证明，在Bi₂Te₃(111)表面上生长锡烯的初始阶段中，沉积在衬底表面的Sn原子之间表现出明显的排斥作用，如示意图1所示。从而，具有上下起伏褶皱的单原子层锡烯将遵循不寻常的partial-layer-by-partial-layer的生长模式，即：沉积在衬底上的Sn原子由于相互排斥，从而快速扩散和彼此远离，并先部分地占据完整锡烯结构的下半层。随着覆盖度的增加，Sn原子才开始占据完整锡烯的上半层，该理论成果很好地解释了实验上STM的观测现象，见图2。另外，在该种生长模式下生长的锡烯将会有至少两个能量上几乎简并的结构相（见图1），从而导致这两种结构在缝合处将会形成多种晶界，如图3所示，从而在理论上完美解释清楚了在Bi₂Te₃(111)衬底上生长锡烯单晶性较差的物理原因。更重要的是，理论计算预言，如果采用Bi₂Te₃(111)上先长一层Bi(111)单原子层厚的薄膜作为衬底(Bi-Bi₂Te₃(111) )，沉积的Sn原子将彼此吸引成核，并长出唯一的一个稳定结构相，从而有利于单晶锡烯的生长。理论计算进一步表明这两个衬底上锡烯都表现出明显的Rashba效应，但在Bi₂Te₃(111)衬底上生长的锡烯在K点表现出半导体特性，而在Bi-Bi₂Te₃(111)上生长的锡烯完全是金属特性从而更有希望实现拓扑超导特性。

该理论计算工作结合相关实验，揭示了实现大规模生产高品质锡烯的动力学途径和潜在应用价值，得到了该领域实验同行的广泛关注，论文接受后，入选《Nanoscale》期刊2018年度热点关注论文(https://pubs.rsc.org/en/journals/articlecollectionlanding?sercode=nr&themeid=14c5c2f5-6355-4a69-b9d2-cb911fc4e70d)。

                                         图1                             图2

                                        图3                                 图4