蘆鵬飛

（北京郵電大學信息光子學與光通信研究院，北京100876）

1 錫及錫烯簡述

錫是IV族元素，其化學符號是 Sn（拉丁語stannum的縮寫），原子序數(shù)為50.錫表現(xiàn)出與第IV族元素鍺和鉛類似的化學性質(zhì)，主要以氧化物（錫石SnO2）形式存在.錫有2種主要的同素異形體：灰錫（α錫）和白錫（β錫）.在室溫下，穩(wěn)定的是白錫，一種銀白色可延展的金屬，白錫為四方晶系；但在低溫下它會轉(zhuǎn)變成密度較小的灰錫.灰錫的晶體結構是與鉆石、硅和鍺類似的金剛石立方結構，原子間是共價鍵結合，電子不能自由移動，沒有金屬性.錫主要用于焊料、防腐層、合金、有機錫化合物等領域.其中錫與鋰金屬能形成多個金屬相，使其成為潛在的電池材料，但鋰錫合金化時體積增大以及電解質(zhì)不穩(wěn)定等問題還需要解決.

二維材料錫烯，是錫原子以類似石墨烯的方式排列而成的六邊形單原子層，但與石墨烯不同，它在第三方向上具有褶皺高度.因為錫的拉丁文是“stannum”，仿照石墨烯和硅烯的命名方式，將二維錫單層命名為“stanene（錫烯）”.錫烯不僅具有石墨烯的優(yōu)點，更是一種二維拓撲絕緣體，在考慮自旋軌道耦合（SOC）的作用下，將打開較大帶隙，被認為是潛在的可室溫工作的拓撲絕緣體，有望進行無損耗的電子輸運，在光電子學、微電子等器件應用方面有重要的意義.

量子自旋霍爾效應最初由Kane等［1］于2005年在理論上預言在石墨烯中存在，其能帶在布里淵區(qū)邊界K和K′點形成一個無帶隙的狄拉克錐，在SOC作用下，狄拉克點處會有帶隙打開.在特定參數(shù)范圍內(nèi)，會出現(xiàn)自旋極化的一維邊緣態(tài).但是由于石墨烯的SOC很弱，打開的帶隙非常小，很難在實驗上觀測到.2006年，Zhang等［2］首次預言HgTe/CdTe量子阱中存在量子自旋霍爾效應.2007年，實驗組進行了測量［3］，觀測到了邊界態(tài)上量子化的電導率，證實了其中的量子自旋霍爾態(tài).由于強的SOC，使得HgTe/CdTe量子阱中導帶和價帶發(fā)生反轉(zhuǎn).能帶反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生拓撲態(tài)的標志之一，為以后拓撲態(tài)的初步搜索提供了便利.隨后在BiSb、Bi2Se3等三維材料中發(fā)現(xiàn)了量子自旋霍爾效應，但由于三維拓撲絕緣體的表面態(tài)不受保護，需要尋找具有量子自旋霍爾效應的二維拓撲絕緣體.拓撲絕緣體的發(fā)展歷程如圖1所示（從石墨烯［1］到HgTe量子阱［2-3］，到第一代三維拓撲絕緣體Bi1-xSbx［4-5］，到第二代三維拓撲絕緣體Bi2Se3等［6-9］，再到二維拓撲絕緣體錫烯［10］）.

圖1 拓撲絕緣體發(fā)展歷程［1-10］Fig.1 The development history of topological insulators［1-10］

2 二維錫烯的研究進展

2.1 錫烯發(fā)展及制備簡述 2011年，中科院Yao研究組［10］研究了二維硅、鍺、錫的褶皺結構，如圖2（a）所示，研究表明其具有量子自旋霍爾效應，在自旋軌道作用下可以打開較大帶隙，首次從理論上預測了錫烯是一種二維拓撲絕緣體.同年，巴西圣保羅大學Garcia等［11］研究了類石墨烯的平面和褶皺的二維錫結構，如圖2（b）所示，并研究其穩(wěn)定性和基本電子性質(zhì).通過計算結合能發(fā)現(xiàn)，二維錫的褶皺結構比平面結構更加穩(wěn)定，并且具有更大的載流子速度.

圖2 （a）二維有褶皺硅烯模型及能帶圖［10］，（b）IV族二維材料示意圖：平面類石墨烯結構、有褶皺類石墨烯結構、氫化/氟化有褶皺類石墨烯結構［11］Fig.2 （a）Geometric and electronic structure of buckled silicene［10］，（b）structure sketch of group IV 2D materials：planar graphene-like structure，buckled graphene-like structure and passivated buckled structure［11］

2013年，斯坦福大學 Zhang團隊［12］通過第一性原理計算預測二維錫烯是具有0.3 eV的量子自旋霍爾絕緣體.首先，他們通過計算錫烯的聲子譜確定其穩(wěn)定性.計算能帶結構，發(fā)現(xiàn)其在K點附近的能量呈線性色散，在SOC作用下，0.1 eV的帶隙打開.此外，他們還嘗試通過化學官能團修飾以調(diào)節(jié)其電子結構，通過—F、—Cl、—Br、—I和—OH 等化學官能團修飾可以有效打開帶隙至0.3 eV，遠遠大于沒有官能團修飾的本征錫烯結構.通過研究氟化錫烯的能帶軌道貢獻，發(fā)現(xiàn)引起錫烯拓撲性質(zhì)的原因是Г點處的s、p軌道反轉(zhuǎn).在一些官能團修飾的情況下，Sn的pz軌道飽和，在K點打開帶隙，Г點能帶反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出拓撲性質(zhì)，并且通過襯底或者外部應力可以有效調(diào)節(jié)其拓撲性質(zhì)，如圖3所示.因為錫烯理論上預測是拓撲絕緣體，能夠在室溫下實現(xiàn)外部邊緣或者表面?zhèn)鬏旊娮?，而不通過內(nèi)部導電，被預測具有100%無損耗的導電效率，如圖4（a）所示.因此，被認為是有可能提高計算機計算速度和降低功耗的超級材料.

圖 3 （a）二維錫烯（2D Sn），（b）鈍化后錫烯（2D SnX）俯視圖和側(cè)視圖，（c）計算出的錫烯及鈍化后錫烯的帶隙，方塊代表拓撲絕緣體，圓形代表拓撲平庸態(tài)［12］Fig.3 Top and side view of（a）stanene（2D Sn）and （b）decorated stanene（2D SnX），X represents the chemical functional group，（c）calculated band gaps of stanene and decorated stanene，squares and circles mark topological and trivial insulators，respectively ［12］

但和石墨不同，錫烯的晶體結構是基于灰錫.灰錫具有金剛石結構而不是層狀結構，無法像獲得石墨烯那樣通過機械剝離灰錫來得到單層的錫烯.所以，在過去幾年里，如何制備出單層的錫烯成為該研究領域的一大挑戰(zhàn).

2015年，上海交通大學Zhu等［13］首次通過分子束外延的方式成功合成二維錫烯，并通過掃描隧道顯微鏡確定其原子結構和電子結構，該篇論文現(xiàn)已被引608次.同年，印度理工學院Saxena等［14］首次通過超快激光相互作用的方法（using ultrafast laser materials interactions）成功制備出錫烯薄層，并通過HRTEM的結構表征方法確認其錫烯的六角對稱晶格結構.2016年，新加坡高性能計算研究所Gao 等［15］通過第一性原理的方法預測，Ag（111）表面可能是錫烯外延生長的理想襯底.2018年，日本名古屋大學 Yuhara等［16］證實了這個想法，在Ag（111）表面成功實現(xiàn)錫烯的大規(guī)模外延生長，通過掃描隧道顯微鏡、高分辨率同步輻射光電子發(fā)射光譜，并結合第一性原理計算方法確定其晶體結構.由于與襯底之間的相互作用，實驗上觀測到的二維錫烯的電子結構呈現(xiàn)出具有拋物線形狀的典型二維材料能帶特征.

2018年，中國科學技術大學Deng等［17］用低溫分子束外延法成功地在Cu（111）上合成平面無褶皺的單層錫烯，模型如圖4（b）所示.結果表明Cu襯底可以使錫烯平面結構更加穩(wěn)定，并且證實該結構的錫烯在SOC作用下，將發(fā)生sp能帶反轉(zhuǎn)，在Г點產(chǎn)生0.3 eV的拓撲帶隙，首次在實驗上展示了IV族類石墨烯的拓撲性質(zhì)，該研究為探索更多的二維拓撲性質(zhì)及器件應用打開了大門.

圖4 （a）氟化二維錫烯邊緣導電示意圖，（b）無褶皺錫烯生長在Cu（111）上俯視圖及側(cè)視圖［17］Fig.4 （a）Fluorined stanene can conduct electricity along its edges，（b）top and side view of planar stanene on Cu（111）［17］

2.2 錫烯基本物理特性 錫烯是一種潛在的能在室溫下工作的大能隙二維拓撲絕緣體，同時，由于其未飽和的pz軌道和強的SOC效應，通過襯底、吸附鈍化以及其他調(diào)控，還能實現(xiàn)拓撲超導態(tài)、優(yōu)越的熱電效應、室溫下的反常量子霍爾效應等新奇的特性，所以在理論和實驗研究中受到廣泛的關注.短短幾年間，研究者們對錫烯基本物理性質(zhì)進行了一系列的研究，主要包括力學性質(zhì)、電子性質(zhì)、光學性質(zhì)、磁學性質(zhì)、拓撲性質(zhì)、熱學性質(zhì)和超導性質(zhì).

2.2.1 力學性質(zhì) 通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理方法，我們研究組［18］率先進行了錫烯受雙軸（EQ）和單軸（扶手椅方向AC和之字形方向ZZ）拉伸應力下的彈性性質(zhì)的研究.錫烯在AC、ZZ、EQ 3種張力下的極限強度分別為3.079、3.496和2.83 N/m，它的楊氏模量和泊松比分別為24.14 N/m和0.39.相比其他IV族烯，錫烯較低的楊氏模量是由于其sp2與sp3混合雜化鍵能較小造成的.極限應力和應變的計算值、二階彈性常數(shù)（SOCEs）和面內(nèi)楊氏模量均為正數(shù)，證明了錫烯具有的機械穩(wěn)定性.隨后，Shi等［19］用6種不同的交換關聯(lián)泛函研究了錫烯的機械性能，研究表明DFT交換關聯(lián)泛函的選擇對機械性能影響不大，其計算得到的錫烯楊氏模量為26.684 N/m，錫烯最高可以承受20%的應變而不會失去彈性和聲子的穩(wěn)定性，與我們計算結果［18］基本一致，其應力應變曲線如圖5所示.此外，Shodja等［20］研究了平面錫烯和有褶皺錫烯在單軸應力方向下的機械性能，包括彈性模量、理想強度、楊氏模量和泊松比，其計算的楊氏模量和泊松比為24.2 N/m和0.40，與我們計算結果［18］基本一致.通過電荷密度圖分析，發(fā)現(xiàn)當應變超過0.35時，sp3雜化軌道轉(zhuǎn)換為sp2雜化軌道.

圖5 錫烯應力-應變曲線［19］Fig.5 Stress-strain response of stanene［19］

通過分子動力學模擬方法，Mojumder等［21］和Khan等［22］對錫烯的熱機械性質(zhì)、力學性質(zhì)、熱電性質(zhì)進行了研究.Mojumder等［21］研究表明，隨著溫度的升高，錫烯的斷裂強度和斷裂應力均有所下降，單軸ZZ方向的斷裂強度高于AC方向，雙軸方向機械性能變化不明顯.Khan等［22］研究結果表明，錫烯ZZ方向納米帶的熱導系數(shù)均大于AC方向納米帶，ZZ方向納米帶的斷裂強度同樣高于AC方向的.分子動力學的相關研究提供了錫烯與溫度有關的單軸和雙軸應力加載的有用信息，可以有效地應用于納米電子器件.

2.2.2 電子光學及磁學性質(zhì) Saxena等［14］合成了多層錫烯，研究了其光學性質(zhì)，并通過實驗制備了樣品，為多層錫烯的合成提供了佐證.John等［23］基于密度泛函理論研究了IV族烯（石墨烯、硅烯、鍺烯、錫烯）的光學性質(zhì)，計算了平行極化方向和垂直極化方向上的復介電函數(shù)和復折射率，隨著原子序數(shù)增大，靜態(tài)介電函數(shù)增大，折射率增大，在平行極化方向有最大的折射率，相關研究對預測該類材料在光學和光電子工業(yè)中的潛在應用提供了依據(jù).Fadaie等［24］利用第一性原理，系統(tǒng)地研究了AC方向錫烯納米帶的結構、電子和光學性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，沿著平面極化方向，2個主要光吸收峰位于0.5 eV和4.0 eV，隨著納米帶寬度的增大，吸收峰將略微紅移；沿著垂直極化方向，只有一個吸收峰位于1.6 eV，研究表明量子效應對AC方向錫烯納米帶的光學性質(zhì)沒有太大的影響.

錫烯本身不具磁性，在其中通過引入具有磁性的過渡金屬原子可以調(diào)整其磁學性質(zhì).Xiong等［25］研究了空位和嵌入原子對錫烯磁性的影響，發(fā)現(xiàn)單空位（SV）和雙空位（DV）都不能使錫烯產(chǎn)生磁性，而嵌入過渡金屬可以有效地調(diào)節(jié)單層錫烯的磁矩，如圖6所示.在所有嵌入過渡金屬的雙空位體系中，嵌入Ti的體系是一種磁性半導體，自旋軌道耦合作用能顯著提高其帶隙.Xing等［26］研究了錫烯吸附3d 過渡金屬原子（V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）時的電子和磁學性質(zhì).錫烯吸附 V、Cr、Mn、Fe、Co時的磁矩為零，而吸附Ni、Cu、Zn時，由于吸附原子和錫烯相互作用而存在磁矩.特別地，吸附鐵的錫烯是一種雙極磁性無帶隙半導體，存在自旋向上的電子和自旋向下的空穴載流子，使得電荷電流和純極化電流共存.Dai等［27］研究了雙軸應力對摻雜過渡金屬原子錫烯體系的電子和磁性性質(zhì)影響，研究表明：在摻雜Fe、Mn和Ti的錫烯體系中，雙軸應變增強了過渡金屬原子的自旋極化.但是，對于Sc和Ni摻雜的錫烯體系，雙軸應變不會導致過渡金屬原子的自旋極化.烯的拓撲性質(zhì).更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)當襯底界面處是陰離子的時候（例如 SrTe、PbTe、BaSe和BaTe），可以實現(xiàn)0.3 eV的大帶隙量子自旋霍爾態(tài)，如圖7所示.同年，臨沂大學Wang等［32］研究了在不同應力調(diào)節(jié)下，h-BN和AlN襯底對錫烯拓撲性質(zhì)的影響.結果發(fā)現(xiàn)：1）錫烯 /h-BN異質(zhì)結構在6.0%和9.3%的應力狀態(tài)下存在量子自旋霍爾相；2）在錫烯/2×2 h-BN的異質(zhì)結構中，沒有應力狀態(tài)下也存在量子自旋霍爾相；3）對于錫烯 /

圖6 Co原子嵌入錫烯的分波態(tài)密度圖［25］Fig.6 Projected DOS of stanene with Co atom ［25］

Qi等［28］研究了ZZ錫烯納米帶由于強的SOC作用，表現(xiàn)出很強的邊緣磁性各向異性.帶隙隨著磁化方向和邊界磁耦合的改變發(fā)生很大變化；自旋和谷自由度表現(xiàn)出明顯的退化.通過引入載流子n型和p型摻雜，可以調(diào)節(jié)磁性各向異性和邊界耦合；加入橫向電場時自旋和谷自由度將變化，可實現(xiàn)高度可調(diào)的邊緣磁化和奇特的電子結構.Xiong等［29］研究了邊界原子對非對稱吸附氫的ZZ納米帶感應磁矩的貢獻.以上相關的研究為錫烯自旋電子器件的設計提供了思路.

2.2.3 拓撲性質(zhì) 2014年，清華大學的 Tang等［30］提出了一種新型的錫烯結構，即啞鈴型錫烯，并通過第一性原理的方法確認其穩(wěn)定性和拓撲性.結果表明，二維啞鈴型錫烯是一種拓撲絕緣體，在Г點pz和px±iy軌道反轉(zhuǎn)，并且可以通過應力調(diào)節(jié)其帶隙大小.對于啞鈴型錫烯來說，h-BN和InSb（111）表面都是能夠保持其拓撲性質(zhì)的合適襯底.2015年，斯坦福大學Xu等［31］通過第一性原理研究了不同襯底對錫烯拓撲性質(zhì)的影響，結果發(fā)現(xiàn)襯底界面、化學組分和對錫烯應力的影響都會改變錫 h-BN異質(zhì)結構，在10%的拉伸和壓縮應力下都沒有發(fā)現(xiàn)量子自旋霍爾相；4）對于2×2錫烯/3×3 h-BN異質(zhì)結構，僅施加2%的壓縮應力就可實現(xiàn)量子自旋霍爾相.此研究說明，襯底和應力對錫烯拓撲性質(zhì)的影響都非常重要.

圖7 生長在SrTe（111）-Te上時錫烯對應的能帶圖（上層錫原子被碘化）［31］Fig.7 Band structures of stanene grown on SrTe（111）-Te［31］

2015年，濟南大學Ji等［33］通過第一性原理，預測氰基修飾的錫烯（SnCN）是一種具有203 meV帶隙的拓撲絕緣體，其帶隙可以通過雙軸應力和電場來進行調(diào)控.他們通過計算Z2拓撲不變量、螺旋邊緣狀態(tài)和Г點處由SOC引起的s、px，y軌道反轉(zhuǎn)來確定其拓撲性.此外，通過使用鹵族元素（F、Cl、Br）來替代一部分氰基，該體系仍能保持其拓撲性質(zhì).Matusalem等［34］通過第一性原理方法研究了錫烯/氫鈍化SiC和氟化錫烯/氫（氟）鈍化SiC的異質(zhì)結構.結果發(fā)現(xiàn)，襯底的表面鈍化是保持錫烯拓撲性質(zhì)的重要因素.因為襯底的表面鈍化使得襯底與錫烯之間具有很弱的相互作用，這種較弱的范德華力使得錫烯幾乎以獨立的形式存在，所以保持了其拓撲性.研究表明錫烯/氫鈍化SiC和氟化錫烯/氫（氟）鈍化SiC的異質(zhì)結構都保持了其本身的拓撲性質(zhì).

2016年，復旦大學Zhang等［35］通過第一性原理研究了吸附鉻原子的啞鈴型錫烯的電子性質(zhì)和拓撲性質(zhì).結果表明，該體系具有量子反?；魻栃?，在Г點帶隙打開.該體系的拓撲性質(zhì)來源于Sn的px，y和pz的軌道反轉(zhuǎn).通過施加面內(nèi)應力，可以調(diào)制帶隙至50 meV.同年，Zhang等［36］也提出一種半氫（鹵素）化錫烯/PbI2異質(zhì)結構，并預測其具有90 meV的大帶隙量子反?；魻栃?在這個異質(zhì)結構中，Sn的s和px，y與Pb的px，y軌道發(fā)生反轉(zhuǎn).研究發(fā)現(xiàn)，只有在沒有磁性元素的情況下，異質(zhì)結構才有可能表現(xiàn)出量子反?；魻栃?，如圖8所示.

圖8 量子反?；魻栃O計示意圖［36］Fig.8 The schematic diagrams to realize the QAH effect［36］

2016年，比利時魯汶大學Houssa等［37］通過第一性原理研究了面外電場和納米帶寬度對錫烯拓撲性質(zhì)的影響.結果發(fā)現(xiàn)，通過改變面外電場的方向和大小可以實現(xiàn)錫烯從絕緣體到拓撲絕緣體的轉(zhuǎn)變.對于錫烯納米帶來說，當寬度W＝3m-1時，其被預測為拓撲絕緣體，在這種情況下，由量子限制效應引起的帶隙值明顯小于0.1 eV，并且能帶發(fā)生反轉(zhuǎn).同年，南京理工大學Huang等［38］通過第一性原理方法研究了一種新型具有無褶皺表面的雙層錫烯結構.該結構可以通過施加外部壓力實現(xiàn)，具有更好的穩(wěn)定性并且表面化學惰性.通過計算Z2拓撲不變量和費米能級附近的自旋霍爾電導確定其拓撲性質(zhì).

2.2.4 熱電性質(zhì) 首先是關于本征錫烯熱電性質(zhì)的研究.由于狄拉克點的存在，錫烯的電熱導并不遵循傳統(tǒng)的魏德曼-弗朗茨定律（Wiedemann-Franz law），Zhou 等［39］從非平衡格林函數(shù)（NGWF）得到狄拉克費米子的電導率，獲得修正后的WF law，以此研究了錫烯的熱傳輸特性，計算結果表明，錫烯的熱導率遠小于石墨烯，并發(fā)現(xiàn)錫烯室溫下的電子熱導率是不可忽略的，可以通過操縱電子來調(diào)控熱導率.Nissimagoudar等［40］通過玻爾茲曼方程和密度泛函理論研究了錫烯的低熱導性質(zhì)，錫烯具有非常高的格律乃森系數(shù)和較低的群速度，這表明它具有很高的非諧性，與石墨烯幾乎各向同性（各向異性＜0.1%）的熱傳輸不同，錫烯表現(xiàn)出很強的各向異性（15%），ZZ和AC方向的熱導率分別為10.83和9.2 W/mK，且室溫下有效聲子平均自由程比石墨烯低將近45倍，這表明在錫烯中的熱傳輸本質(zhì)上與石墨烯中的是完全不同的.在極其低溫下，錫烯晶格熱導率的貢獻來自面外聲學橫支（ZA），在較高溫度下，主要貢獻來自聲學縱支（LA），與石墨烯不同的是，錫烯在室溫下的晶格熱導率的最大貢獻來自LA（91%），如圖9所示.此外，通過調(diào)整樣品尺寸并在邊緣處產(chǎn)生粗糙表面以及雜質(zhì)/點缺陷，可以進一步降低晶格熱導率.Zaveh等［41］研究了二維錫烯和鍺烯的聲子及熱學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)考慮自旋軌道耦合的情況下，會軟化聲子譜，降低ZA模聲子群速度，二維錫烯在低溫極限下的比熱取決于T2，并且錫烯的聲子群速度及熱傳輸速率都低于鍺烯.

圖9 （a）錫烯沿著AC和ZZ方向的總晶格熱導，（b）不同聲學支沿著AC方向的貢獻，（c）不同聲學支沿著ZZ方向的貢獻，（d）沿著ZZ方向的有效自由平均程［40］Fig.9 Temperature dependence of（a）the total lattice thermal conductivity of stanene along ZZ and AC directions，contributions to thermal conductivity from different phonon branches along （b）AC and （c）ZZ directions，and（d）the effective mean free path along the ZZ direction［40］

進一步，錫烯納米帶以及基于錫烯的異質(zhì)結構可以對熱電性質(zhì)進行調(diào)控.Navid等［42］通過分子動力學研究了錫烯/硅烯和雙層錫烯異質(zhì)結構的熱電性質(zhì)，熱導率分別為（3.63±0.27）W/mK和（1.31±0.34）W/mK，表明異質(zhì)結構可以進一步降低錫烯的熱導率，隨著溫度升高，熱導率下降.異質(zhì)結構較低的導熱系數(shù)為錫烯在熱電領域應用前景提供了可能的發(fā)展方向.Peng等［43］采用非平衡格林函數(shù)方法研究錫烯納米帶（SNRs）和石墨烯納米帶（GNRs）中電子的熱輸運特性，研究表明SNRs和GNRs的熱輸運性質(zhì)與溫度和化學勢密切相關，通過周期性應變誘導的電子聲子耦合，可以周期性地調(diào)節(jié)錫烯納米和石墨烯納米帶中的導熱系數(shù).Khan等［22］也發(fā)現(xiàn)無論是AC還是ZZ方向SNRs的導熱系數(shù)都與溫度成反比，且ZZ比AC方向的導熱系數(shù)高.

缺陷及摻雜對錫烯的熱電性質(zhì)也有很大的影響.Das等［44］研究了缺陷對錫烯熱導性質(zhì)的影響，包括隨機點缺陷、雙空位缺陷、Stone-Wales缺陷，發(fā)現(xiàn)熱導率隨著缺陷的濃度上升急劇下降，主要是由于聲子散射造成的，當雙空位缺陷的質(zhì)量分數(shù)約為5%時，熱導率接近于零.Cherukara等［45］研究了碳摻雜和硅摻雜的SNRs的熱導性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)熱導率都隨著摻雜濃度的增加而增加，隨納米帶寬增加而增加.碳硅雙摻雜方式對SNRs熱導系數(shù)的增強作用最大，單摻雜方式和邊緣摻雜方式次之.

2.2.5 超導性質(zhì) Ezawa［46］研究了硅烯、鍺烯、錫烯體系中出現(xiàn)的拓撲超導性，通過施加光輻照和s波超導耦合，可以實現(xiàn)他們的拓撲超導性.通過計算陳數(shù)確定了其拓撲相圖，可以通過移動光輻射區(qū)域，來控制Majorana束縛態(tài)，開辟了一種新的調(diào)制Majorana費米子的方法.Shaidu等［47］從密度泛函理論（DFT）原理出發(fā)，研究了在錫烯中摻雜堿土原子，及由此產(chǎn)生聲子超導的可能性，并發(fā)現(xiàn)鈣（鋰）摻雜導致材料具有超導性，進一步可通過施加應變或摻雜其它原子來增加超導臨界溫度（Tc）.Kore等［48］研究了BaBi3（超導體）和錫烯（拓撲絕緣體）的異質(zhì)結構，BaBi3/stanene異質(zhì)結構表現(xiàn)出明顯的拓撲超導特征，并表明了Majorana費米子的存在.Liao 等［49］發(fā)現(xiàn)了在 PbTe（111）/Bi2Te3襯底上生長的幾個原子層厚度的錫烯薄膜具有二維超導性，這是在灰錫中首次發(fā)現(xiàn)超導特性，可以通過調(diào)節(jié)PbTe層的厚度來增強臨界溫度Tc，如圖10所示.在能帶結構中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)，由具有超導性質(zhì)的多層錫烯和拓撲絕緣性質(zhì)的Bi2Te3組成的異質(zhì)結構可能會表現(xiàn)出新奇的拓撲超導性質(zhì)，該實驗發(fā)現(xiàn)為構造二維拓撲超導體開辟了新的策略.

圖10 多層錫烯的超導性［49］Fig.10 Superconductive properties of few-layer stanene［49］

2.3 錫烯相關結構及調(diào)控

2.3.1 啞鈴型錫烯 啞鈴型錫烯（DB-Sn）結構［35］是面內(nèi)面外錫原子通過類似sp3的相互作用形成的一種二維結構，如圖11（a），這種結構比傳統(tǒng)的蜂窩型結構更加穩(wěn)定，并且，啞鈴型錫烯具有獨特的量子反?；魻栃?，在Г點帶隙打開，這是因為考慮SOC作用后，錫原子的px，y和pz軌道反轉(zhuǎn)造成的.施加3%的拉伸應力，可以實現(xiàn)50 meV的更大帶隙打開.Yuan等［50］研究了氰基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCN），見圖 11（b），發(fā)現(xiàn)其具有 52 meV的帶隙，在應力作用下可達到322 meV，SOC作用使得其在Г點處的px，y軌道反轉(zhuǎn)，被證明是一種量子反?；魻柦^緣體.Wang等［51］研究了甲基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCH3），見圖 11（c），研究表明能帶存在s-px，y軌道反轉(zhuǎn)，具有148 meV的帶隙，存在量子自旋霍爾效應，是一種穩(wěn)定的二維拓撲絕緣體.

圖 11 （a）啞鈴型錫烯（DB-Sn）結構［35］，（b）氰基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCN）結構［50］，（c）甲基修飾的啞鈴型錫烯（DB-SnCH3）結構［51］Fig.11 Top and side views of the （a）dumbbell stanene （DB-Sn）［35］，（b）dumbbell stanene with cyano group decoration（DB-SnCN）［50］，and （c）dumbbell stanene with methyl-functionalized （DB-SnCH3）［51］

2.3.2 五元環(huán)錫烯錫烷 Li等［52］研究了五元環(huán)錫烷和氟化五元環(huán)錫烷結構.五元環(huán)錫烷中每一個錫原子是sp3雜化，與周圍4個錫成鍵，這樣形成的結構比起生長在Bi2Te3上的本征錫烯具有更低的形成能，如圖12所示.五元環(huán)錫烷和氟化錫烷分別具有1.88和2.02 eV的光學帶隙，有利于可見光的吸收.此外，他們具有較高的遷移率，分別為769和2 520 cm2/Vs，表明五元環(huán)錫烷和氟化錫烷可能在光電器件領域有較好的應用.

2.3.3 錫烯鈍化及摻雜 由于錫烯未飽和的pz軌道，使其很容易被其他功能團鈍化.Li等［53］研究了不同氫鈍化濃度錫烯對其電子性質(zhì)的影響.在氫鈍化飽和的情況下，不同的氫排布結構會導致不同的電子特性，包括半金屬性和半導體性.50%氫鈍化可以打破錫烯的π鍵，成鍵未飽和的錫原子附近就會有孤對的π電子聚集，使得錫烯轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘賾B(tài).通過調(diào)整氫鈍化的濃度可以調(diào)整其磁性大小，如圖13所示.對于雙層氫鈍化飽和的錫烯來說，不同的堆積方式分別會導致其半導體和半金屬性的電子特性.Zhang等［54］研究了 C2X 基團（X ＝H，F(xiàn)，Cl，Br，I）鈍化下的錫烯的拓撲性質(zhì).研究表明，C2H和C2F在本征條件下是量子自旋霍爾平庸態(tài)，在等軸拉伸應力調(diào)控下可轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔幼孕魻枒B(tài).C2Cl、C2Br、C2I在本征條件下就是 Z2＝1 的拓撲絕緣體，帶隙值分別為0.19、0.20和0.23 eV，并且h-BN可以作為其合適的襯底.

圖12 氫鈍化和氟鈍化的五邊形錫烯的俯視圖及側(cè)視圖［52］Fig.12 Top and side views of penta-SnH and penta-SnHF ［52］

圖13 蒙特卡洛模擬單位原胞內(nèi)的平均磁矩和磁化率［53］Fig.13 Monte Carlo simulations of the average magnetic moment and magnetic sus-ceptibility in per unit cell［53］

關于錫烯摻雜方面，Garg等［55］研究了B摻雜、N摻雜和B-N共摻等多種結構的錫烯的電子性質(zhì)，并通過分子動力學證實了它們的熱穩(wěn)定性，BN共摻能夠打開錫烯帶隙，通過應力可以讓半導體的性質(zhì)得以保持.Abbasi等［56］研究了 Al、B、N、P、Si、Ge替位摻雜錫烯，其中，Al、B、N、P 替位摻雜錫烯表現(xiàn)出金屬特性；而Si、Ge替位摻雜錫烯的電子結構跟本征錫烯類似.Navid等［57］研究了C和Si單摻、共摻下的錫烯納米帶熱傳輸性質(zhì).熱導率隨著摻雜濃度的增加而增加，隨著納米帶寬度的增加而增加.文獻［58］研究了摻雜AC方向錫烯納米帶，發(fā)現(xiàn)摻雜B、Al后變成P型半導體，摻雜 N、P、F、Cl變成N型半導體，從理論上提供了氫鈍化的扶手型錫烯納米帶的N型摻雜和P型摻雜方案，并給出了電子輸運性質(zhì)，有利于設計基于錫烯納米帶的電子器件和光電器件.

2.3.4 單層無褶皺錫烯 2018年，Deng等［17］用低溫分子束外延法成功地在Cu（111）上合成平面無褶皺的單層錫烯，如圖14所示.結果表明Cu襯底可以使錫烯平面結構更加穩(wěn)定，并且證實該結構的錫烯在SOC作用下，將發(fā)生sp能帶反轉(zhuǎn)，在Г點產(chǎn)生0.3 eV的拓撲帶隙，首次在實驗上展示了IV族類石墨烯的拓撲性質(zhì)，該研究為探索更多的二維拓撲性質(zhì)及器件應用打開了大門.

2.4 錫烯復合及功能材料 二維材料由于其單層的結構特性，使其很容易堆積成多層結構，層層之間是弱的范德瓦爾斯力結合，這些復合異質(zhì)結構會展現(xiàn)出不同尋常的性質(zhì)及新奇的物理現(xiàn)象.已經(jīng)有很多基于錫烯的復合材料的相關研究，其中研究最多的是錫烯/石墨烯異質(zhì)結構，還有比如錫烯/金屬復合體系、錫烯/h-BN、錫烯/過渡金屬硫化物、錫烯/金屬氧化物等.下面簡單介紹一下幾類復合材料的相關研究進展.

圖14 Cu（111）上生長的無褶皺錫烯的幾何和電子結構［17］Fig.14 The geometric and electronic properties of planar stanene grown on Cu（111）［17］

2.4.1 錫烯/石墨烯 Lu等研究組［59］最早進行了錫烯石墨烯異質(zhì)結構幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)的研究，通過引入旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)了多種晶向的錫烯石墨烯異質(zhì)結構，控制晶格失配小于4%，由于擴胞倍數(shù)的不同，導致能帶結構有所區(qū)別.當兩者的狄拉克點位于不同高對稱點時，狄拉克點會偏移費米能級，使錫烯電子轉(zhuǎn)到石墨烯，增大了載流子濃度；當?shù)依它c位于同一高對稱點時，會在整個能帶引入一個帶隙，但沒有保持錫烯的量子自旋霍爾態(tài).在此之后，陸續(xù)有很多關于錫烯石墨烯復合結構的相關報道.Yun等［60］同樣通過采用不同旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)錫烯石墨烯多種異質(zhì)結構，旋轉(zhuǎn)構型的能帶結構顯示出全金屬界面，而共取向結構在半金屬特性和半導體特性之間的過渡處保持穩(wěn)定.這是因為結構中存在的pz軌道，影響到結構的褶皺高度，進而影響電子結構.此外，通過吸附水蒸氣可以改變該復合結構的電導，但對電子結構影響不大.

Chen等［61］研究表明，錫烯與石墨烯之間的強相互作用，與錫烯未飽和的p軌道有關，研究的復合結構具有一定帶隙并呈電中性，既保持了石墨烯的高電子遷移率又保持了錫烯的強自旋霍爾效應.此外，錫烯功函數(shù)比石墨烯小，并且G（4）/Sn（2）和G（5）/Sn（/）表現(xiàn)出更好的光吸收能力.Mondal等［62］研究了石墨烯-錫烯-石墨烯這種三明治的復合結構，發(fā)現(xiàn)在石墨烯/錫烯界面處有拓撲保護雜化態(tài)，在Г點處通過能帶反轉(zhuǎn)和螺旋邊緣狀態(tài)分析確定了拓撲絕緣態(tài)，如圖15所示.這種結構既保留了石墨烯的高遷移率，也保留了錫烯量子自旋霍爾效應，對于這種復合結構來說，h-BN可以是一種理想的襯底.

Khan等［63］研究了石墨烯/錫烯缺陷結構的熱傳輸性質(zhì)，研究表明無缺陷的石墨烯/錫烯結構的熱導率遠遠高于硅烯、磷烯等其他二維材料和異質(zhì)結構.隨著溫度升高及晶體寬度下降，熱導率下降.缺陷附近的聲子散射可以有效地降低熱導，缺陷濃度越高，熱導越低，其中影響比較大的是邊緣缺陷和點缺陷.

圖15 石墨烯-錫烯-石墨烯三明治結構能帶圖［62］Fig.15 The band structure of graphene-stanene-graphene QW［62］

2.4.2 錫烯/金屬 錫烯在一些金屬表面上能夠?qū)崿F(xiàn)外延生長，如 Ag（111）、Sb（111）.Gao 等［15］通過第一性原理研究錫烯和Ag（111）表面的相互作用.通過變換外延關系，可以形成不同的外延錫烯結構，這些外延錫烯結構仍保持著六角蜂窩晶格結構.錫烯單層與Ag（111）表面的距離大概在0.241～0.248 nm，說明錫烯與Ag（111）存在化學相互作用.因為層間距跟Ag（111）表面階梯高度差不多，所以錫烯能夠連續(xù)生長并跨越Ag（111）表面階梯.通過刻蝕Ag襯底之后，錫烯的外延結構能夠完全恢復到錫烯本身的晶格結構.此外，Sn原子在Ag（111）表面上的擴散勢壘僅為0.04 eV，而且可以均勻擴散，如圖16所示.說明錫烯在Ag（111）表面上的外延生長可以在低溫下實現(xiàn).Gou等［64］實現(xiàn)了stanene納米帶在Sb（111）上的外延生長.在 Sb（111）表面上 stanene受到壓縮應力，出現(xiàn)拓撲性質(zhì).Fang等［65］研究了stanene/Ge（111）異質(zhì)結構，發(fā)現(xiàn)stanene/Ge（111）（2×2）表面出現(xiàn)典型的狄拉克錐.通過計算Z2拓撲不變量和錫烯納米帶的邊緣態(tài)計算，說明stanene/Ge（111）（2 ×2）表面是拓撲絕緣態(tài).

圖16 錫原子在Ag（111）擴散路徑上的能量變化（實線）和高度變化（虛線），以及對應的俯視圖和側(cè)視圖［15］Fig.16 Energy profiles（solid line）and height variation（dash line）of Sn adatom diffusion along a representative path on Ag（111）surface［15］

2.4.3 錫烯/h-BN 研究表明，h-BN是一種有利于錫烯生長的合適襯底.Wang等［66］分別研究鍺烯、硅烯、錫烯與h-BN形成異質(zhì)結構，并考慮了對稱和非對稱2種構型.研究發(fā)現(xiàn)，襯底作用、異質(zhì)結構形式、電場之間的協(xié)同作用，可以用來調(diào)節(jié)拓撲相變，如圖17所示.對于對稱結構，h-BN可以保持其晶體結構和電子拓撲結構.對于非對稱結構，h-BN襯底可以產(chǎn)生電勢與外部電場作用相互抵消.Khan等［67］研究了錫烯/h-BN異質(zhì)結構，結果表明狄拉克點處有30 meV的直接帶隙，費米速度大約是0.53×106m/s.計算的有效質(zhì)量為0.05m0，說明可能具有比較高的遷移率.異質(zhì)結構的錫烯具有未飽和的π軌道，說明電子載流子只是在錫烯層傳輸，而h-BN是提供了一個好的襯底，并且計算了不同應力和層間距的條件下的電子性質(zhì)變化，該異質(zhì)結構具有合適的帶隙和較高的載流子遷移率.

2.4.4 錫烯過渡金屬硫化物 Xiong等［68］研究了二硫化鉬錫烯異質(zhì)結構，研究表明異質(zhì)結構具有高遷移率的特性，能成功打開直接帶隙；電子將從錫烯轉(zhuǎn)移到二硫化鉬，形成一個內(nèi)在電場；同時應力可以有效改變其帶隙值，增加載流子濃度.在內(nèi)在電場的基礎上，考慮外加電場，可以打開帶隙并導致直接到間接帶隙的轉(zhuǎn)變.外加電場也可以抵消內(nèi)建電場的作用，使得結構重新獲得狄拉克錐.Chen等［69］研究了錫烯二硫化鎢異質(zhì)結構，其穩(wěn)定結構的層間距為0.3 nm，每個 Sn原子的結合能為-51.8 meV，該異質(zhì)結構中保留了近似線性的能帶色散.可以通過調(diào)節(jié)層間距、外部電場和應力來調(diào)節(jié)帶隙大小和狄拉克點相對于費米能級的位置，以及電子有效質(zhì)量等.

圖 17 拓撲疇壁（DW）［66］Fig.17 Topological domain walls［66］

2.4.5 錫烯/金屬氧化物 Wang等［70］研究了錫烯/Al2O3異質(zhì)結構，結果顯示錫烯在Г點具有0.25 eV的拓撲能帶.通過計算Z2拓撲不變量和無帶隙邊緣態(tài)來確定其拓撲性質(zhì).錫烯與襯底在原子層面上鍵合，但是電子層面上相互獨立，保證了其高度的結構穩(wěn)定性和孤立的量子自旋霍爾態(tài).同樣地，錫烯與襯底之間存在電荷轉(zhuǎn)移.Araidai等［71］研究了錫烯/α-Al2O3，分別研究了3種不同層間距的異質(zhì)結構，結果表明其電子性質(zhì)強烈地依賴于層間距大小.考慮了SOC作用后，可以觀察到由Rashba引起的能帶分裂，而且層間距對帶隙大小的影響遠遠大于SOC作用對帶隙的影響.異質(zhì)結構中錫烯的電子態(tài)主要是受Sn—O反鍵態(tài)的影響.Cao等［72］研究了錫烯/ZnO異質(zhì)結構，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下層間距為0.3 nm，會打開大約60 meV的帶隙，帶隙值可以通過電場和應力調(diào)整；在壓縮應力下，能帶可以由間接變?yōu)橹苯?；在光學性質(zhì)方面，結構具有較強的紫外線吸收能力.Ding等［73］研究了錫烯及碘化錫烯分別與InSe和GaTe構成異質(zhì)結構，如圖18所示.在InSe和GaTe襯底作用下，狄拉克型的能帶結構仍被保留，并且在SOC作用下，帶隙也可以被成功打開，在碘化錫烯/GaTe異質(zhì)結構中還存在這大帶隙的量子自旋霍爾效應.因為襯底作用，碘化錫烯的價帶頂表現(xiàn)出Rasha分裂，進一步可以通過層間距來進行調(diào)節(jié).

圖18 （a）Sn-InSe和（b）SnI-GaTe異質(zhì)結構俯視圖及側(cè)視圖［73］Fig.18 Top and side views of （a）Sn-InSe and （b）SnI-GaTe heterostructures［73］

2.5 錫烯功能材料

2.5.1 氣體吸附功能材料 Chen等［74］系統(tǒng)地研究了小分子（CO、NH3、H2O、H2S、O2、NO和NO2）在錫烯上的最佳吸附位點和分子摻雜的類型，并討論了分子與錫烯之間的相互作用機理.研究結果表明，錫烯對氮基和氧化分子更敏感，這是由這些小分子吸附引起的電荷轉(zhuǎn)移造成的.錫烯單層的功函數(shù)對不同分子有明顯的響應，這表明通過選擇性吸附這些小分子可以有效地調(diào)節(jié)肖特基勢壘.此外，還研究了吸附 CO、NH3、H2O、H2S、O2、NO和NO2分子的錫烯的光學性質(zhì).錫烯對于不同氣體的靈敏度和選擇性，表明它在氣體傳感器和高性能催化劑領域具有潛在的應用.Nagarajan等［75］使用DFT方法研究了包括NH3和NO2分子在錫烯和錫烷上的吸附行為，研究發(fā)現(xiàn)NH3和NO2在錫烯和錫烷上的最佳吸附位置，并發(fā)現(xiàn)錫烯和錫烷更容易吸附NO2，表明錫烯和錫烷可用作檢測大氣中NO2和NH3氣體分子.

Abbasi等［76］研究了 TiO2/錫烯異質(zhì)結構與有毒分子SOx［77］以及NO2和O3分子的吸附行為，這些分子都將穩(wěn)定地化學吸附在異質(zhì)結構上，并且相比于摻N的異質(zhì)結構，不摻N的異質(zhì)結構能更有效地與氣體發(fā)生反應.研究結果表明，TiO2/錫烯異質(zhì)結構可用于檢測不同氣體分子，在新型高靈敏度氣體傳感器方面有著潛在的應用，如圖19所示.Abbasi等［78］還構建了沿AC方向和ZZ方向的錫烯納米管，研究其幾何、電子和吸附性質(zhì)，AC方向錫烯納米管是半導體，ZZ方向為半導體和導體.臭氧分子（O3）能與錫烯納米管相互作用分解成氧氣（O2），結果表明錫烯納米管對有害臭氧氣體檢測具有優(yōu)異的傳感特性.他們還研究了錫烯納米管對SO3分子的吸附作用［79］，更大的納米管對分子的吸附力更強，吸收時SO3將接受電子，說明錫烯納米管也可用來探測 SO3分子.Abbasi等［80］通過第一性原理研究錫烯作為NO2、SO2、CO2氣體傳感器的能力.通過對錫烯摻雜B原子，能夠提高對氣體的敏感度.錫烯對NO2、SO2是強化學吸附，形成Sn—N鍵和Sn—O鍵，對CO2是比較弱的物理吸附.錫烯在本征條件下是無帶隙的，摻雜B原子后有小的帶隙出現(xiàn)，并且吸附氣體后這一電子結構也沒有發(fā)生改變.

圖19 基于新型TiO2/錫烯異質(zhì)結構的氣體傳感器裝置示意圖［77］Fig.19 Schematic illustration of a gas sensor devices based on novel TiO2/Stanene heterostructure［77］

Bhuvaneswari等［81］構建錫烯納米管并將其用于三甲胺（TMA）和正丁胺（n-BA）的探測.在TMA和n-BA分子的相互作用下，錫烯納米管在不同能級的電荷密度發(fā)生了變化.由于TMA和n-BA分子的吸附，在透射光譜中觀察到電子沿著錫烯納米管的傳輸.I-V特性曲線顯示了由于電子轉(zhuǎn)移而吸附分子時的電流變化.Wang等［82］研究在錫烯中吸附小氣體分子，如 CO、H2O、NH3、NO和NO2.研究結果表明，H2O、NH3和CO分子在錫烯單層上為物理吸附，NO和NO2分子被發(fā)現(xiàn)在錫烯上為化學吸附，并且具有相當大的電荷轉(zhuǎn)移，相當大的吸附能和強的共價（Sn—O）鍵，從而改變錫烯單層的電子特性.

2.5.2 氣體提純功能材料 Gao等［83］通過第一性原理方法來分析無缺陷二維錫烯和氟化錫烯用于氫提純的應用.氟化錫烯表現(xiàn)出較好的氫提純能力，而且氫提純表現(xiàn)可以通過施加應力來調(diào)節(jié)其平衡滲透性和選擇性.進一步，Gao等［84］研究了二維錫烯、氫化錫烯、氟化錫烯用于從惰性氣體里分離出He（氦氣），因為其具有密度高的均勻多孔結構.室溫下，錫烯是不具有惰性氣體滲透性的.為了增強惰性氣體的遷移率，考慮到可以氫化和氟化.另外，還可以通過施加應力來調(diào)節(jié)提純氦氣的性能表現(xiàn).

2.5.3 金屬離子電池材料 Kadioglu等［85］研究了堿性和堿土金屬原子在錫烯上的吸附行為，結果表明，錫烯具有類似于石墨烯或硅烯的反應性和可官能化的表面.除了Be原子之外，錫烯的空心位點是堿金屬原子（Li、Na、K）和堿土原子（Mg 和 Ca）最有利的位置，它們更喜歡橋接點結合.吸附能在-1.330和-3.058 eV之間變化.由于Be和Sn原子之間的強相互作用（取代），在Be原子吸附中觀察到值為-3.058 eV的最高吸附能.堿金屬、堿土原子的s態(tài)和錫烯的p態(tài)之間的雜化對于它們與錫烯的強結合是有效的.半金屬的錫烯在Be原子吸附上顯示具有94 meV帶隙的半導體行為，而在Li、Na、K、Mg和 Ca原子吸附時它變成金屬.Mortazavi等［86］研究了硅烯、鍺烯、錫烯對鈉、鋰離子吸附的理論研究.在這些單層烯中找到單個Na或Li原子的最穩(wěn)定的結合位點及其相應的結合能，然后逐漸增加離子濃度，直到達到表面的完全飽和，結合能幾乎保持恒定，最大的吸附濃度只能到1，超過后將引起結構的形變，如圖20所示［87］.在所有情況下，六邊形空位點為離子提供了最大的結合能.基于Bader電荷分析，預測分別使用單層硅烷、鍺烷和錫烯的Li或Na離子存儲的最大理論容量約為 954、369 和 226 mAh/g.Lu 等研究組［87］在錫烯中引入周期性排列的納米網(wǎng)狀結構，在研究了孔洞形成過程及穩(wěn)定性的基礎上，探索了其在金屬離子電池方面的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)錫烯納米網(wǎng)狀結構能進一步增強對鈉的吸附能力以及吸附濃度，最大吸附濃度達到1.61，最大理論容量為362.8 mAh/g，相比錫烯提高了60%，如圖20所示.還提供了更多的擴散路徑，使鈉離子能夠在錫烯整個表面擴散，并降低了擴散勢壘，最低勢壘為0.15 eV.Lu等研究組［87］的研究結果表明，錫烯網(wǎng)狀結構在鈉離子電池電極材料方面有潛在的應用，同樣說明了在二維材料中引入網(wǎng)狀結構，將會是提高二維材料作為電極材料性能的有效方法.

圖20 （a）錫烯納米網(wǎng)狀結構模型圖，（b）開態(tài)電壓，（c）最大理論電容［87］Fig.20 （a）Geometric configurations of three types of stanene nanomesh （SnNM），（b）calculated voltage profiles，and （c）theoretical capacities［87］

2.5.4 自旋電子器件應用 Marin等［88］提出了一種基于錫烯的自旋電子器件，如圖21所示.該裝置基于窄的錫烯納米帶的帶隙的調(diào)制，和導帶和價帶狀態(tài)的邊緣局部化性質(zhì).利用該特性，該裝置通過帶隙調(diào)節(jié)和電場調(diào)制來控制帶間隧穿電流，室溫下，在0.3 V/nm的電場下實現(xiàn)高達98%的自旋極化.總電流的自旋極化可以通過傳輸特性的差分調(diào)諧以及通過施加面內(nèi)電場對不同自旋的邊緣狀態(tài)的占據(jù)來調(diào)制.

3 小結與展望

圖21 基于錫烯的自旋電子器件示意圖［88］Fig.21 Schematic illustration of spin electronics based on stanene

錫烯是近幾年才發(fā)展起來的一種新型二維材料，是一種具有褶皺高度的類蜂窩狀結構，更是一種可能在室溫下工作的大能隙二維拓撲絕緣體.同時，第一性原理計算也預言錫烯有可能具有更加復雜的啞鈴狀原胞結構，啞鈴狀結構的錫烯和褶皺形錫烯的拓撲特性是一致的，也具有100 meV量級的能隙.通過合適的襯底選擇、鈍化、應力調(diào)制等手段，還能在錫烯上實現(xiàn)拓撲超導態(tài)、熱電效應、室溫下的反常量子霍爾效應等新奇特性，使得錫烯在未來的更高集成度的電子學器件和量子器件發(fā)展應用方面具有重要的意義.

雖然進行了一系列理論和實驗方面的研究，取得了一些可喜的成果，但是在錫烯的本征物理性質(zhì)、生長制備以及應用方面，仍存在著一些未解決的問題.實驗上成功制備出平面無褶皺的單層錫烯，展示了VI族類石墨烯的拓撲性質(zhì)，該研究為探索更多的二維拓撲性質(zhì)及器件應用打開了大門，相關研究還較少，對它的基本物性及相關復合結構可以進一步深入研究.