专利名称：一种铪二维原子晶体材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铪二维原子晶体材料及其制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术：
二维原子晶体材料因其单原子厚度的平面晶体结构，丰富和独特的物理，化学特性以及潜在的巨大应用价值成为近年来世界科技界的研究热点。其中，石墨烯自2004年被成功剥离后成为新型二维原子晶体材料的焦点和代表。石墨烯表现出来的一系列奇特的电子和物理特性，如高迁移率、高机械强度、高光透率、高导电性等，在微电子学、微纳米器件、透明导电膜、高效转换电池等领域有着重要的应用前景。石墨烯的研究热潮激发了人们对其他新型二维原子晶体材料(非碳基、类石墨烯结构)的探索和研究热情。例如，硅烯，作为石墨烯的硅基对应物，已有理论预言其存在的可能性和类似于石墨烯的优异性能。其他类石墨烯结构的二维晶体材料，如氮化硼，二硫化钥等都表现出了许多优异的物理特性。在当今微电子学面临物理尺寸极限之时，这些以石墨烯为代表的新型二维平面材料的开发和应用有望融合当前的微电子硅基技术，突破大规模集成电路遇到的瓶颈问题，为我国基础科学、信息科学、材料科学、能源科学等研究领域提供新的机遇与平台，对国民经济的可持续发展以及国防安全的强化产生重大而深远的影响。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种铪二维原子晶体材料及其制备方法，能够生长出一种新型的二维原子晶体材料，这种新材料表现为二维有序、铪原子成六角蜂窝状排布的二维周期性结构。`本发明提供了一种铪二维原子晶体材料，铪原子成六角蜂窝状排布，并在二维平面内周期性扩展。本发明提供了一种铪二维原子晶体材料的制备方法，其步骤包括:I)在真空环境下，将适量金属铪蒸发沉积到过渡金属基底上；2)对整个样品进行退火处理，以使覆盖在基底表面的铪发生相互作用，形成六角蜂窝状分布的二维有序的周期性结构。上述所用的铪是通过电子束蒸发的方法沉积到过渡金属基底上的。上述用于生长铪二维原子晶体材料的过渡金属基底为铱的(111)面。上述进行铪二维原子晶体材料生长的退火温度为350°C ^450°C，优选为400°C。上述铪二维原子晶体材料形成了周期为0.54nm的蜂窝状结构，该周期性结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。本发明通过外延方法生长高质量的铪二维原子晶体材料，铪原子成六角蜂窝状排布，并在二维平面内扩展，便于进一步研究铪二维原子晶体材料的电子性质及相关器件开发。这种二维晶体材料不同于石墨烯，石墨烯性能是由SP轨道杂化电子决定的；而铪是一种过渡金属，它形成的这种铪二维原子晶体材料的性能是主要由d轨道电子决定，d轨道电子可诱导自旋等新奇特性，所以这种新型二维原子晶体材料可应用于自旋电子学及器件研究。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中:图1示出了本发明的整体制备过程效果示意图；图2示出了本发明中在铱的(111)表面沉积的高覆盖度铪颗粒的扫描隧道显微镜图像；图3示出了本发明中在铱的(111)面上制备的高质量铪二维原子晶体材料的扫描隧道显微镜图像；图4示出了本发明中样品400°C退火处理后制得的铪二维原子晶体材料的低能电子衍射图案，包括基底铱和铪二维原子晶体材料中(2x2)超结构的衍射斑点；图5示出了本发明中在铱的(111)面上制备的高质量铪二维原子晶体材料的扫描隧道显微镜放大图像以及对应的原子结构模型。
具体实施例方式下面将结合附图及实施例对铪二维原子晶体材料的制备方法作进一步的详细说明。此实施例仅仅是用于更详细具体地说明此发明之用，而不应用于以任何形式限制本发明。 本实施例在过渡金属表面制备高质量的铪二维原子晶体材料。具体步骤为:首先在真空腔内对铱单晶进行十几次氩离子溅射，然后通过将铱基底加热并保持在850°C，高温退火得到干净平整的(111)晶面。本发明的整体制备过程效果示意图如图1所示。上部分图示出了本发明中在铱的(111)表面沉积的高覆盖度的铪颗粒；下部分图示出了本发明中样品退火处理后在铱的(111)表面生长出的铪二维原子晶体材料。之后在干净平整的铱表面，通过电子束蒸发源将金属铪均匀沉积其上，基底保持在室温。铪在衬底表面呈无规则分布，如图2的扫描隧道显微镜图像所示。将沉积有铪颗粒的样品在400°C下退火，原来沉积在衬底表面的铪颗粒消失了，如图3所示，而在铱表面形成了一种周期为0.54nm的结构，该结构源于退火处理后在样品表面形成的二维有序的铪原子晶体材料。图4的低能电子衍射图案表明该有序结构的存在。这种周期为0.54nm的结构对应于铪原子在衬底表面的六角蜂窝状排布后形成的二维有序的铪原子晶体材料，如图5所示。上面虽然对本发明进行详细的描述，然而也可以在不脱离本发明主要思想的条件下，进行各个条件的适当变化。可以理解为，本发明不限于上述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。例如，金属铪可以通过除电子束蒸发之外的其他方法如直接加热铪棒沉积到基底上，亦可取得与上述实施例相当的效果。
权利要求
1.一种铪二维原子晶体材料，其特征在于，铪原子成六角蜂窝状排布，并在二维平面内周期性扩展。
2.一种铪二维原子晶体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在真空环境下，将适量金属材料铪蒸发沉积到过渡金属基底上； 2)对整个样品进行退火处理，以使覆盖在基底表面的铪原子产生相互作用，形成六角蜂窝状排布的二维有序的周期性结构，从而获得铪二维原子晶体材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所用的铪是通过电子束蒸发的方法沉积到过渡金属基底上的。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，用于生长铪二维原子晶体材料的过渡金属基底为铱的(111)面。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进行铪二维原子晶体材料生长的退火温度为 350 0C 450℃。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的铪二维晶体材料，铪原子形成了六角蜂窝状排布的有序结构，蜂窝间距为0.54nm，该周期性结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。
全文摘要
本发明公开了一种铪二维原子晶体材料及其制备方法，铪二维原子晶体材料的制备方法包括1)在真空环境下，将适量铪蒸发沉积到过渡金属铱基底上；2)对整个样品进行退火处理，以使铪原子发生相互作用，在基底表面形成二维长程有序的膜状结构，其中铪原子成六角蜂窝状周期性排布，形成一种新型的二维原子晶体材料。这种类石墨烯结构的新型材料拓展了非碳基二维蜂窝状晶体材料的研究领域，具有较高的科研价值和潜在的应用潜力。
文档编号C30B29/64GK103074680SQ201310047140
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者王业亮, 李林飞, 高鸿钧 申请人:中国科学院物理研究所