研究确定了一种获得单层蜂窝状SiC的新合成技术

碳化硅(SiC)是一种硅和碳的硬质结晶化合物，在自然界中很少出现，一般采用合成方法生产。除了用于制造陶瓷板、防弹背心和其他商业产品外，SiC还是一种半导体，是一种导电性能适中的材料，介于导体和绝缘体之间。

几十年来，物理学家和材料科学家一直在研究这种半导体的特性。与其他材料一样，SiC可以以不同的物理形式(即同素异形体)存在，其二维同素异形体迄今仍难以捉摸并且主要是假设。

根据理论预测，该半导体的二维同素异形体将具有2.5eV的大直接带隙和高化学通用性，并且在环境条件下稳定。然而，到目前为止，这还没有得到经验验证，因为现有研究只报道了2DSiC的无序纳米薄片。

隆德大学、查尔姆斯理工大学和林雪平大学的研究人员最近能够在放置在SiC衬底上的超薄过渡金属碳化物薄膜上合成单晶外延单层蜂窝状SiC。他们发表在PhysicalReviewLetters上的论文介绍了一种很有前途的技术，用于大面积自下而上合成SiC难以捉摸的同素异形体。

“我们的合作者有兴趣研究碳化硅衬底上的过渡金属碳化物薄膜，”进行这项研究的研究人员之一克雷格·波利(CraigPolley)告诉Phys.org。“众所周知，石墨烯可以‘通过’SiC上的覆盖层生长，我们希望这样做并在金属碳化物薄膜上形成石墨烯封装层。因此，我们参与的最初目的是研究特性这种生长的石墨烯层。”

因此，最初，波利和他的同事们试图研究在金属碳化物薄膜上形成的石墨烯封装层的特性。然而，在尝试使用称为ARPES(角度分辨光电子能谱)的技术表征该层的特性时，他们观察到非常引人注目和迷人的光谱，与在石墨烯中观察到的光谱不同。

“最终证明样品上没有石墨烯，”波利说。

“经过大量的测量和计算，我们才确定这个神秘的表面是什么，当我们发现它是蜂窝状SiC时，我们感到非常惊喜，因为这从来都不是我们的计划!”

Polley和他的同事尚未了解支持单层蜂窝SiC成功生长的过程的所有细节。尽管如此，他们还是能够确定一种能够实现其合成的技术。

从本质上讲，该技术需要在SiC衬底上放置一层过渡金属碳化物薄膜。当这种材料堆叠退火到足够高的温度时，SiC分解，而金属碳化物保持完整，Si和C原子迁移到表面。

“如果退火温度足够高，Si会离开，C会重结晶成石墨烯——这是在普通SiC上生长高质量石墨烯层的众所周知的技术，”Polley解释说。“但对于正确的退火条件，事实证明，Si和C不仅保留在表面上，而且会再结晶成蜂窝状SiC。到目前为止，还没有已知的方法来制造大面积的单晶蜂窝状SiC，因此我们感到惊讶的是，它完全有效!”

研究人员还进行了进一步分析，以验证他们观察到的独特表面实际上是SiC的二维相。一旦他们证实了这一点，他们就会研究它的特性，以验证之前的理论预测。有趣的是，他们发现在这个2D相中，SiC几乎是平面的并且在高温(高达1,200°C的真空)下稳定。

“这里的主要贡献是发现了一种新的合成技术，以及深入的侦探工作最终将这个神秘的表面识别为蜂窝碳化硅，”波利说。

Polley和他的同事最近的这项研究只是SiC二维同素异形体实验研究的第一步，因为还需要做更多的工作才能有效地将他们观察到的层与其下层衬底隔离开来。尽管如此，他们发现的合成技术是一个重要的里程碑，为实现这一目标铺平了道路。

Polley补充说：“我们有兴趣了解更多的事情之一是，是否可以采取任何措施将其与基板分离，例如通过尝试在SiC和TaC之间插入一些其他物质，如氢。”“这个技巧适用于SiC上的石墨烯，但现在这是一个新材料和未开发的领域。”