物理學(xué)家稱他們成功生長出了錫烯（stanene）——錫（Sn）原子組成的二維層狀結(jié)構(gòu)。這種材料生長在碲化鉍襯底上，呈現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)。從左到右依次為顯微圖像、俯視圖和剖面示意圖。
上海交通大學(xué)與斯坦福大學(xué)的合作研究組首次制備出錫原子構(gòu)成的二維材料——錫烯，但尚未證實(shí)它是否有理論所預(yù)測(cè)的超高導(dǎo)電效率。
在物理學(xué)家預(yù)言錫原子能形成一種單原子厚度的二維網(wǎng)格的兩年后，研究人員稱他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中制備出了這種結(jié)構(gòu)。文章發(fā)表在8月3日的《自然•材料》（Nature Materials）上，但研究組還沒能確認(rèn)錫烯是否具有理論所語言的奇異電子性質(zhì)，比如在導(dǎo)電過程中完全不產(chǎn)生耗散熱量等等。
錫烯的英文名為stanene，來自于錫的拉丁文名stannum（錫的原子符號(hào)Sn也來源于此），它是石墨烯最新誕生的“小弟弟”。石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀晶格材料，對(duì)與之相關(guān)的其他二維材料的研究也已經(jīng)有很多了：其中包括由硅原子組成的硅烯、由磷原子組成的磷烯，以及由鍺原子組成的鍺烯，甚至還有由不同的單層原子材料堆疊成的功能材料。
許多這類單層材料都有著超高的導(dǎo)電性，而錫烯（在理論上）或許還更為特別：在室溫下，錫烯中的電子可以沿著網(wǎng)格的邊緣快速運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)與其他電子進(jìn)行碰撞，這意味著錫烯在導(dǎo)電的過程中不會(huì)以熱量的形式耗散能量。這是斯坦福大學(xué)物理學(xué)家張首晟2013年所做的理論工作，他也是這項(xiàng)最新研究的共同作者之一。
有預(yù)測(cè)表明錫烯是一種拓?fù)浣^緣體（topological insulator），其載流子（如電子）不能穿過該材料的中間部分，但可以沿邊緣自由運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與它們的自旋（一種量子性質(zhì)，自旋“向上”或者“向下”）相關(guān)。電流之所以不會(huì)耗散，是因?yàn)榇蠖鄶?shù)晶體缺陷都不會(huì)影響電子的自旋，因此也不會(huì)阻擋電子的運(yùn)動(dòng)，這意味著錫烯薄膜或許能成為運(yùn)載電流的完美高速通道——來自普渡大學(xué)的物理學(xué)家、電子工程師葉培德說。“我一直在尋找著不僅有科研價(jià)值，還有應(yīng)用潛力的材料，”他說，“這是非常有意思的工作。”
襯底的干擾
雖然張首晟和他在中國的合作者已經(jīng)成功制備出了錫烯，但他們還未能確定它的拓?fù)浣^緣體性質(zhì)。他們?cè)谡婵罩袑㈠a蒸發(fā)變成氣體，并讓錫原子一個(gè)一個(gè)地沉積在碲化鉍襯底的表面上。盡管這個(gè)襯底促進(jìn)了二維錫烯晶體的形成，但它也會(huì)與錫烯產(chǎn)生相互作用，這樣的條件可不利于拓?fù)浣^緣體的形成，張首晟說。他同合作者已經(jīng)寫出了另一篇論文，描述了表面條件更好的樣品情況，發(fā)布在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上。
德國維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)家Ralph Claessen認(rèn)為，我們還不能清楚地認(rèn)為發(fā)表在《自然•材料》上的論文的作者是否真正地制成了錫烯。理論預(yù)測(cè)這種二維材料應(yīng)當(dāng)形成一種扭曲的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，原子有上有下，形成波紋脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，但張首晟和他的研究組只能通過掃描隧道顯微鏡（STM）看到上層原子。然而，研究組相信他們的確得到了波紋結(jié)構(gòu)，或許是因?yàn)?ldquo;脊”與“脊”之間的距離與理論預(yù)測(cè)相符合。
Claessen認(rèn)為研究組需要通過X射線衍射等實(shí)驗(yàn)來直接測(cè)量材料的晶格結(jié)構(gòu)，這樣才能確認(rèn)他們的確制成了錫烯。要做這類實(shí)驗(yàn)，張首晟和他的合作者還需要制備出更多、尺寸更大的材料。
來自復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波對(duì)于該研究則抱有更多的信心。“我認(rèn)為這項(xiàng)工作是一個(gè)重要突破，它再次擴(kuò)展了二維材料的世界，”他說，“讓我們激動(dòng)地期待這種材料能否滿足人們的預(yù)期。”張遠(yuǎn)波因去年從黑磷中剝離出二維單層原子材料“磷烯”（phosphorene）而聞名于世。
法國艾克斯-馬賽大學(xué)的物理學(xué)家居伊•勒萊是首次制備出硅烯和鍺烯的研究者之一，他也對(duì)確定錫烯的電子性質(zhì)充滿樂觀：“正如登月一樣，最重要的是邁出第一步。”
