一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法

本发明涉及一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，属于纳米材料。

背景技术：

1、拓扑半金属是拓扑量子材料家族的重要一员，具备非同寻常的奇异磁输运性质(如负磁阻、巨磁电阻)以及极高的载流子迁移率等优势，在未来的拓扑量子器件中发挥着重要作用，是当前凝聚态物理与量子材料科学的研究重点。拓扑半金属包括狄拉克半金属(石墨烯等)、外尔半金属、节线半金属以及节面半金属。其中，拓扑节线半金属的特征是其能带的交叉点在晶格动量空间形成连续的闭合曲线，基于这种独特的能带结构，若能在体系中进一步引入电子关联效应或超导配对，将有望实现分数拓扑态或高转变温度超导等新物态，为实现基于拓扑量子器件的应用奠定基础。

2、一方面，早期关于拓扑节线半金属的研究集中于三维结构，比如三维zrsis材料家族。在器件构筑中，三维材料异质结中界面上无序会带来诸多问题而影响器件性能，二维材料提供了具有原子级别平整的界面,可有效地解决界面接触问题。此外，其厚度很薄，仅有单原子层以及少数原子层，性质可以在大范围内进行调控，这将为基于拓扑节线半金属的器件应用带来突破。另一方面，由于维度的降低,在三维体系中稳定的能带拓扑结构往往到了二维变得不再稳定，要在二维材料中实现受对称性保护的能带简并就变得更为困难,特别是当材料中的自旋轨道耦合作用不可忽略的时候，需要找到额外的对称性保护。因此，当前构筑二维的拓扑节线半金属材料仍然较难。

3、单原子层的金属化合物au2ge，其能带的简并点在费米能级附近交叉成一条线，并且受到镜面反演对称性保护，存在狄拉克节线费米子，为典型的二维拓扑狄拉克节线半金属。目前，关于au2ge的制备方法，至今没有相关的报道，这极大的限制了关于其拓扑电子结构的进一步研究以及器件构筑。因此，实验上寻找一种制备高质量二维au2ge的方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的是提供一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，能够生长出高质量的单层au2ge薄膜。

2、本发明公开了一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于薄膜与衬底呈现明显的二维周期性莫尔图案。

3、本发明还公开了一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、1)保持腔体真空度为10-5mabr的，对单晶基底进行处理，得到干净平整的晶面；

5、2)在腔体真空度为10-10mabr的情况下，设定锗蒸发源蒸发速率为0.01ml/min，保持基底温度在380℃，沉积35分钟纯度为99.999％的锗原子到单晶衬底上。以使沉积的锗原子产生相互作用，并充分扩散，形成单原子层au2ge薄膜。

6、作为本发明的优选，所述的单晶基底为金的(111)表面。

7、作为本发明的优选，所述的单晶基底的处理方法为保持腔体真空度在10-5mabr的情况下，对金的(111)表面进行氩离子溅射，每次溅射时间维持在20-30分钟，然后通过将金基底加热并保持在500℃，并维持30分钟。经过3-5次溅射-加热循环，获得干净平整的晶面。再将锗原子蒸发沉积到干净平整的金(111)表面，得到覆盖在金表面的单原子层au2ge薄膜。

8、作为本发明的优选，所用的锗原子通过热阻式加热蒸发沉积到单晶基底上。

9、作为本发明的优选，所述的生长温度为380℃。

10、作为本发明的优选，所述的单原子层au2ge的原子晶格周期为0.5nm，au2ge薄膜与基底au的(111)面的二维周期性莫尔结构的间距为3.88nm，且所述的周期性结构可以被扫描隧道显微镜表征。

11、本发明通过超高真空沉积技术，利用基底在高温下，金表面的增原子与超高真空沉积的锗原子在金的(111)表面直接化合，形成单原子层的au2ge。其中，au2ge薄膜由呈三角晶格排布的锗原子和蜂窝状晶格排布的金原子嵌套构成，ge原子与au原子间成共价键，薄膜与衬底呈现二维周期性莫尔周期图案。此外，由于au2ge薄膜与基底金的弱相互作用，基底金对au2ge薄膜的电子性质不会有影响，薄膜中的狄拉克费米子得以保留，这对于基于拓扑半金属的新奇物态研究以及拓扑量子器件的设计制造具有极大的应用潜力。

技术特征：

1.一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，所述的单晶基底为金的(111)面。

3.如权利要求1所述的一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，步骤(1)中，真空度为10-5mabr，对单晶表面进行氩离子溅射后加热循环，每次溅射20-30min，在500℃温度下加热30min，循环3-5次。

4.如权利要求1所述的一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，所用的锗原子通过热阻式加热蒸发沉积到单晶基底上。

5.如权利要求1所述的一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，生长时保持单晶基底温度为380±50℃。

6.如权利要求1所述的一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法，其特征在于，单原子层au2ge薄膜的原子晶格周期为0.5nm，薄膜与基底呈现的莫尔条纹结构的周期为3.88nm，且所述的周期性结构可以被扫描隧道显微镜表征。

技术总结
本发明公开了一种金锗合金二维拓扑节线半金属及其制备方法。所述一种金锗合金二维拓扑节线半金属是以三角晶格排布的锗原子和呈蜂窝状晶格排布的金或铜原子共价嵌套构成的单原子层薄膜。其制备方法包括：在超高真空环境下，将适量锗原子沉积到金属表面，制备出高质量的单原子层薄膜，并与衬底呈现二维周期性莫尔图案。这类材料拓展了二维拓扑节线半金属的研究领域，为基于拓扑节线半金属的拓扑量子器件设计提供新的可能，具有极高的科研价值以及应用潜力。

技术研发人员：张利杰,田麒玮,秦志辉
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12