二維體系因其低維空間屬性和量子約束效應展現出獨特的量子現象與材料性質，是當今凝聚態物理和材料科學的研究前沿。目前，二維體系的主要研究對象是層狀二維材料，在自然界中有對應的三維體材料。有限種類的層狀材料勢必限制了二維體系的研究和應用範圍。其實，從表面物理的觀點看，獨立於半導體體相的表面重構也是一種理想的二維體系，其獨特的原子結構會帶來與體相迥然不同的物理特性。利用不同元素的組合，有可能在半導體表面形成不同於三維體系的獨特原子排布和化學配比，衍生出種類更為豐富、性質更為奇特的二維電子材料。由於材料製備與表徵的複雜性，這類材料很少被研究。
中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家中心表面物理國家重點實驗室SF9組長期以來專注於二維原子晶體的構築和原位結構性質的表徵，在單元素非層狀二維體系— 硅烯和硼烯方面取得了重要的研究成果。最近，在基於半導體表面的雙元素二維體系的研究上也取得了新的進展。博士生苟健、王旭光、孔龍娟等在陳嵐研究員和吳克輝研究員的指導下，利用兩種金屬元素（Sn和Bi）在傳統半導體Si(111)表面實現了特殊元素配比的半導體二維蜂窩狀晶體。他們與極端條件物理重點實驗室錢天研究員、丁洪研究員、博士生李航，和清華大學的徐勇教授，段文暉院士、博士生夏炳煜，以及北京化工大學李暉教授等合作，發現該體系中有很強的自旋軌道耦合和非對稱的電子空穴載流子特性。
他們利用分子束外延生長技術，採用依次生長Sn和Bi的方法在Si(111)表面實現大面積高質量穩定蜂窩狀結構。掃描隧道譜（STS）的測量表明該體系有0.8 eV左右的能隙，而準粒子干涉的測量表明佔據態具有明顯的近自由空穴載流子的特徵。通過角分辨光電子能譜（ARPES）測量，確認了近自由空穴表面態來自於表面二維Sn-Bi結構。除此之外，時間分辨光電子能譜發現導帶底為幾乎無色散的平帶（Flat band）。
為了進一步理解該體系的性質，他們利用第一性原理計算進行了大量的結構搜索，最終確定該體系為Sn2Bi結構，它由Bi原子組成的二維蜂窩狀晶格和Sn原子組成的三角形網絡相互耦合而成。得益於其獨特的蜂窩狀結構、重原子質量以及隨能量變化的Sn-Bi軌道雜化強度，Sn2Bi不僅表現出很強的自旋-軌道耦合效應，還具有異常高的電子-空穴非對稱性：它既能給出近自由的空穴能帶，又能實現局域的電子平帶。由於Sn2Bi是長在Si(111)上的半導體二維體系，可以在同一器件中利用電場調控同時實現重電子和輕空穴的調製和選擇，為未來新型電子器件的開發，以及強關聯電子體系的研究提供一個全新的平臺。
該研究成果以“Binary Two-Dimensional Honeycomb Lattice with Strong Spin-Orbit Coupling and Electron-Hole Asymmetry”為題在線發表在Physical Review Letters 121, 126801 (2018)，並得到了編輯推薦（Editor’s Suggestion）。相關工作獲得國家科技部、國家自然科學基金、中科院先導計劃、清華大學自主科研計劃的支持。
圖一、 Si(111) 表面單層Sn2Bi 結構。(a) Sn2Bi以大面積高質量的方式生長於Si(111)表面。(b) 高分辨STM圖。(c) 同時包含Sn2Bi和β-Bi/Si(111)結構的高分辨STM圖。(d ) 同時包含(c)中兩種結構的FFT圖譜。
圖二、 Sn2Bi的電子結構。(a) STS譜線。(b) 佔據態中自由空穴氣的E-q關係。(c) ARPES在高對稱方向上獲得的能帶結構。(d) 價帶頂附近等能面圖。(e) 時間分辨ARPES對導帶的測量。
圖三、(a) 表面Sn-Bi結構相圖， 理論計算得到的Sn2Bi原子結構模型俯視圖(b)和側視圖(c)。關閉自旋軌道耦合(d)和開自旋軌道耦合(e)後的能帶結構。
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