原子尺度解析主族元素二维材料及其异质结构的合成策略与性能调控

这篇综述系统总结了主族元素二维（2D）材料（如硼烯borophene、硅烯silicene、锗烯germanene等）在超高真空（UHV）条件下通过分子束外延（MBE）和物理气相沉积（PVD）的合成进展，重点探讨了扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）在原子尺度表征界面应变、晶界缺陷和异质结构电子态调控中的关键作用，为开发新型（光）纳米电子器件提供了材料基础。

　　

原子尺度解析主族元素二维材料及其异质结构

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   引言

   受石墨烯成功启发，主族元素二维材料因其独特的量子限域效应和可调电子特性成为研究热点。这些材料展现出狄拉克费米子、量子自旋霍尔态和弹道电荷传输等特性，在（光）纳米电子器件中具有广阔应用前景。与石墨烯不同，大多数主族元素二维材料需要通过分子束外延（MBE）或化学气相沉积（CVD）在超高真空（UHV）条件下合成，其结构特性高度依赖基底选择和生长参数调控。

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   结构与性能

   2.1 第13族元素基材料

   硼烯作为典型代表，在Ag(111)基底上可形成多种晶相结构。最新研究发现双层硼烯通过层间共价键保持金属性，同时显著提升抗氧化能力。镓烯（gallenene）在GaN(0001)基底上呈现超导相，而铟烯（indenene）在SiC(0001)上表现出拓扑非平庸行为。这些材料的异质结构构建面临挑战，但通过精确控制界面相互作用，已实现石墨烯/硼烯垂直异质结等突破性结构。

2.2 第14族元素基材料

硅烯在Ag(111)基底上可形成(4×4)、(√13×√13)等多种重构相。尖端增强拉曼光谱（TERS）研究揭示了不同硅烯相的振动模式差异。锗烯在Sb(111)基底上呈现低翘曲(0.67?)的蜂窝结构，而锡烯（stanene）在Bi₂Te₃(111)上显示出压缩蜂窝晶格。特别值得注意的是，锗烯/锡烯横向异质结在Ag(111)薄膜上形成了具有一维边缘态的新型拓扑电子系统。

2.3 第15族元素基材料

蓝磷烯在Au(111)上形成应变(4×4)超结构，其三角形结构单元包含6个或3个突起。砷烯（arsenene）在Ag(111)上表现出层依赖带隙特性，而锑烯（antimonene）在PdTe₂基底上形成β相蜂窝结构。铋烯（bismuthene）的研究取得重要突破，在SiC(0001)上制备的平面β相铋烯被证实为量子自旋霍尔系统，其拓扑边缘态可通过界面应变调控。

2.4 第16族元素基材料

硒烯（selenene）由平行排列的螺旋链构成，而碲烯（tellurene）在石墨烯基底上呈现矩形排列的Te螺旋链结构。有趣的是，α相碲烯在Sb₂Te₃表面通过Si-Te前驱体合金转化形成，显示出独特的拓扑电子特性。

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   结论与展望

   原子尺度表征技术为理解二维材料界面应变、缺陷工程和异质结构能带调控提供了关键工具。未来研究需要重点关注：1）开发更精确的相控生长方法；2）揭示缺陷结构与量子发射特性的关联；3）探索尖端增强光谱技术在界面化学键表征中的应用。这些突破将推动二维材料在纳米电子器件、量子计算和催化等领域的实际应用。