物理所实现超薄碲薄膜的制备及其面内p-n结构筑

碲，英文名tellurium，源自拉丁文tellus（意为地球），是自然界中能稳定存在的最重的硫族元素。碲在单质和化合物中具有较强的自旋轨道耦合效应，其化合物是许多新奇物理现象的载体。近期，有关碲结构和性质的理论与实验研究正在引起研究人员的关注。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF06组博士生黄筱淳在副研究员王炜华和研究员郭建东的指导下，利用分子束外延技术，在SiC(0001)衬底外延石墨烯表面成功制备了单层和少量层碲薄膜，并利用低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱仪对碲薄膜进行了原位表征。实验发现制备出的碲薄膜由螺旋碲原子链平行排列而成，对应于体相晶体的 b0-c0 面，如图1所示。同时，随碲薄膜厚度增加，碲薄膜的带隙从单层中的0.92 eV单调减小至体相的0.33 eV（图2）。相关工作于6月28日发表于《纳米快报》【 Nano Lett. 17, 4619 (2017)】。

郭建东、王炜华课题组进一步发现，随SiC衬底上外延石墨烯的层数增加，衬底对单层碲薄膜的电子掺杂逐渐减弱：在单层和双层石墨烯上的单层碲薄膜表现为 n 型半导体，而在三层石墨烯上的单层碲薄膜则表现为 p 型半导体，如图3所示。在此基础上，通过生长晶格连续跨过单层/三层石墨烯衬底台阶边缘的单层碲薄膜，他们成功获得了面内 p-n 结。对应的结区宽度为6.2 nm，内建电场为4×10 ⁵ Vcm ^-1 ，如图4所示。相关工作以通讯形式于6月12日发表在《先进材料》杂志上【 Adv. Mater. 2018, 1802065 (2018)】。

以上工作得到科技部（2016YFA0300600, 2016YFA0202300，2017YFA0303600）、国家自然科学基金委（11634016，11474334）和中科院先导项目（XDB07030100）的资助。

图1 碲晶体结构及碲薄膜原子结构示意图。

图2 碲薄膜的STM图像以及碲薄膜的带隙随薄膜层数的变化。

图3 利用SiC衬底外延石墨烯的层数调控单层碲薄膜中的电子掺杂。

图4 基于单层Te薄膜的面内p-n结。