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文献综述
二维材料由于其独特的结构特征和优异的性能，已成为凝聚态物理、材料、化学等领域的研究热点。其中石墨烯、硅烯是最常见的第IV主族二维材料，有着优异的电学性质，在电子、光电子、催化、能量存储和转换等领域有广泛的潜在应用前景。在最近十年里，二维材料由于其独特的力学、电学等物理化学特性，人们对二维材料的研究兴趣日益上升。受到石墨烯的合成启发，以及石墨烯具备的非凡特性，研究者致力于预测和合成石墨烯的二维同素异形体或者其二维等电子体化合物。在理论方面，迄今人们发现的有第IV主族、III-V主族、II-VI主族的二维单分子层化合物、二维化硅、过度金属碳氮化物、碱土金属氢氮化物等众多二维材料。这些二维材料表现出多种多样的电子、光化学和磁学性能，能被广泛应用到现代技术。
1962年，Kubo等人研究了金属超微粒，并提出了解释金属颗粒费米能附近电子能级状态的久保理论。20世纪70年代末，科学家们比较系统滴地研究了某些纳米微粒的物理特性，并成功地用量子尺寸效应描述超微颗粒的某些特性。1985年，Korto H W等人采用激光加热石墨的方法，在甲苯中形成了C60和C60的团簇，其几何结构与石墨和金刚石完全不同，并因此而获得了诺贝尔化学奖。石墨烯作为第一个被发现的二维材料，同时也是最具备代表性第IV主族的单元素二维材料。在石墨烯2004年被合成出来时，打破了人们初期认为二维材料不具备热动力学稳定性的认识。在此之前，Takeda和Shiraishi在1994年已经通过第一性原理方法提出过其它的第IV主族二维材料，并且认为它们都是稳定的。早期理论研究者将硅烯和锗烯的电子结构，因此也不会发现其中的狄拉克锥。主要原因是，三维体相硅、锗单质并不与碳单质一样，碳单质在自然界中有石墨相，石墨具有分层结构，sp sup2;杂化的碳原子是多处可见，但硅和锗没有分层体相结构，人们对单层sp sup2;杂化的硅原子、锗原子构成的硅烯、锗烯的稳定性一直无法确定，硅和锗更倾向于形成sp sup3;杂化。
2005年，硅烯再次被Durgun等人和Yang等人再次两次提出，硅烯、锗烯仍旧鲜为人知受到关注。直到2007年，独立的硅烯被证明具有类似sp sup3;杂化的褶皱蜂窝结构，它的能带结构中也具有类似石墨烯中的狄拉克锥，这一发现真正意义上促进了人们对第IV主族单元素二维材料的研究。2010年，Aufray等人最先在Ag(110)基底上制备出了硅纳米线，这些纳米线具有相近的宽度和高度，长度不一，使用扫描电子显微镜观察到纳米线都沿着Ag(110)方向生长。2012年，Vogt等人在Ag(111)基底上外延生长出了硅烯薄膜结构。他们通过光电子分光光谱分析得到了成蜂窝状结构的硅单层的能带结构，并且有向下分散的圆锥分支。他们基于扫描隧道显微镜的显示结果以及密度泛函结论的研究，得出了在Ag(111)基底上生长出的单层硅确实是二维硅烯单层薄膜。Feng B J等人在Ag(111)基底上生长了多层硅烯，并且结合第一性原理分析了其生长的过程，认为这是一种可以大面积生长高质量硅烯的方法。他们先将Ag(111)基底进行氩离子溅射清洗和退火处理，实验过程中将硅片加热到1200K，硅原子便蒸发并附着在Ag(111)基底上，沉积速率达到0.08-0.1 ML/min。通过分析发现，Ag(111)基底的温度会直接影响沉积硅烯层的质量。Jamgotchian H和 Arafune R等人发现基底温度对硅烯薄膜的结构有着很大的影响。他们指出当基底的温度由150摄氏度增加到300摄氏度的过程中，可能会出现5种超周期结构的硅烯。当Ag(111)基底温度低于400K时，所形成的硅膜呈团簇或其它混乱的结构；当温度达到420K时，便形成质量较好的多层硅烯膜。2010年，Gein与Novoselov对石墨烯进行了开创性的研究并因此而获得了诺贝尔化学奖之后，纳米科学成为了当经世界的尖端技术和主导科学。
此外，Lalmi B等人使用外延生长法在Ag(111)基底上生长出了硅烯薄膜。他们在高真空的条件下，使用硅原子流轰击Ag(111)基底，通过控制基底温度和轰击时间等参数来制备出高质量的硅烯薄膜。这种方法对实验条件要求很高，在生长的时候需要将基底温度控制在220-250℃之间，同时还要求控制薄膜在低速生长的状态。Chen L等人在Ag(111)基底上制备出硅烯后，又研究了其电学特性，发现其有用于制作超导材料的潜能。Meng L等人成功在Ir(111)表面外延生长出了硅烯。他们先用外延法将硅沉积在Ir(111)表面，然后进行温度为400℃时间为30min的退火处理。2012年，Fleurence等人在二磞化锆基底上制备出了硅烯，并用扫描隧道显微镜观测到硅烯。他们先在Si(111)表面上用化学气相外延法制备出二磞化锆薄膜，此薄膜为平面结构，锆原子呈六角密集排布，锆原子排布并不完整，这就使得二磞化锆层以下的硅原子扩散到二磞化锆中，从而形成单层的硅烯。2013年，硅烯被首次用于命名这种硅单分子层，而且在美国物理学会3月份会议的摘要和标题中硅烯的引用次数显著上升。原因是2012年的春季的一篇论文发表在银衬底上外延合成硅烯的实验证据，紧接着秋季又一篇发表的用ZrB ₂薄膜制备硅烯的文章。这说明硅烯和它所在的第IV主族二维材料，还包括石墨烯、锗，至今一直是一个新兴的具有重大科学意义的研究领域。
人们最早发现的二维材料是石墨烯，石墨烯与硅烯、锗烯、锡烯同属于IV族材料家族中的成员，都受到了广泛的关注。这些材料结构相似，都是成六元环蜂窝结构，都具有狄拉克态，在纳米电子器件、离子电池、传感器和催化领域都有潜在的应用价值。石墨烯与硅烯作为其中最具有代表性的材料，都具备应用于下一代半导体场效应管的潜力。石墨烯的极高电子迁移率能实现场效应管具有10GHz以上的高开关比性能，硅烯则与现代硅基半导体技术兼容。但它们具有共同的缺陷就是无带隙或带隙极小，应用于半导体器件会导致高截止态电流，提高能量损耗。
参考文献：
[1]. 郭素梅. 掺杂对磷烯纳米带电子性质的调制[D]. 湘潭大学.
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