4月23日，日本國立研究開發法人原子能研究開發機構（JAEA）原子能科學研究所尖端基礎研究中心表面界面科學團隊寺澤知潮研究副主幹等人組成的研究團隊，與東京大學生產技術研究所、精密陶瓷中心合作發表研究成果稱，闡明瞭片狀量子位元候選材料「鍺烯」的生長機制。研究團隊依託自研技術解析其成型過程後證實，經室溫升溫再降溫兩道工序使銀薄膜表面鍺元素含量持續升高，是形成片狀結構的關鍵。該成果有望為量子位元材料的探索做出貢獻。相關研究成果已發表在美國化學會發行的《Chemistry of Materials》的3月10日刊上。
圖1 鍺原子聚集在表面形成鍺烯的流程（概念圖）（供圖：原子能研究開發機構）
鍺烯與石墨烯一樣，是鍺原子呈蜂窩狀排列的單原子層材料，理論上被預測為實現量子位元的候選材料。該材料由名古屋大學的柚原淳司副教授等人開發，通過在鍺基板上製作銀薄膜，經加熱和冷卻後，在銀薄膜上形成片狀鍺烯。
鍺在自然界中以最穩定的三維顆粒狀結晶存在，但為何會形成片狀鍺烯，迄今為止始終未能闡明。此外，鍺烯容易與空氣發生反應，分析本身也存在困難。
為此，研究團隊通過解析鍺烯形成過程，希望能闡明片狀鍺烯的形成機制。
首先，研究人員在鍺基板上製備出厚度為150奈米的銀薄膜，在真空中加熱至500℃後冷卻至室溫，利用拉曼光譜術分析了鍺烯形成的過程。研究採用團隊自研的可適配高溫真空環境的拉曼光譜裝置。該方法能夠檢測鍺的結合狀態。
結果發現，300℃下析出在銀薄膜表面的鍺呈顆粒形態，升溫至500℃後該結構的峰值消失，被認為轉變成了可移動的原子狀態。隨後從500℃高溫逐漸冷卻，溫度降至300℃時，又出現了代表鍺烯存在的峰值。
為進一步探明鍺烯原子的運動規律，研究團隊利用日本大型同步輻射光源SPring-8內由原子能機構搭建的光束線站，開展了X射線光電子能光譜分析。在加熱和冷卻的同時觀察了銀薄膜上鍺原子的量。該方法可檢測原子的量和狀態。
結果顯示，從室溫加熱至300℃，表面的鍺量增加，繼續加熱至500℃時進一步增加；冷卻至300℃時也出現增加。
研究團隊結合鍺對溫度的反應對這一機制進行了探討。鍺原子的移動距離隨溫度變化，估算溫度保持（10分鐘）期間的移動距離時發現，在500℃時約為490奈米，能夠超過銀薄膜厚度（150奈米）大範圍移動；而從500℃冷卻至300℃時，移動距離約為7.8奈米，無法穿透銀薄膜。
從500℃冷卻至300℃的過程中，由於鍺大量溶入銀薄膜中且移動距離變短，導致鍺又大量聚集在表面，促進了鍺的橫向鍵合，從而選擇性地形成了鍺烯。
今後可依據設計機制，實現鍺烯材料的穩定製備
寺澤研究副主幹表示：「隨著鍺烯作為量子位元候選材料被進一步研究，本次成果可為該領域整體發展提供關鍵技術支撐。同時也期望該理論能夠廣泛應用於各類材料研發工作。今後，我們也將持續進行研究，希望能研發出可完整剝離銀薄膜表面片狀鍺烯的技術」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Chemistry of Materials
論文：In situ study of growth mechanism of germanene segregated through Ag(111) thin films by Raman and X-ray photoelectron spectroscopy
DOI：10.1021/acs.chemmater.5c03462
