Китайские физики из Шанхайского Университета сообщают о первом синтезе станена — двумерного материала, построенного из атомов олова. Это вещество является самым тяжелым аналогом графена, из известных на данный момент. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

Структура станена, нарисованная поверх СТМ-изображения. Изображение: Feng-feng Zhu et al. / Nature Materials, 2015

Авторы синтезировали новый материал методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Этот метод позволяет в условиях высокого вакуума напылять слои, повторяющие кристаллическую решетку подложки — иначе они называются эпитаксиальными. В качестве кристалла, на котором происходило выращивание станена, был взят теллурид висмута.

Подтвердить образование станена удалось методами сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешеним. Первый из методов представляет собой сканирование поверхности образца с помощью очень тонкой иглы. При этом ученые подавали разность напряжений между ней и образцом и измеряли значение туннельного тока — в результате атомы были видны как области образца, где значения тока были высокими. Такое изображение позволило установить атомную структуру станена: он состоит из двух слоев олова, каждый из которых, в свою очередь, состоит из треугольников атомов. Слои смещены друг относительно друга и разделены расстоянием 120±20 пикометров — в результате образуется решетка, похожая на слегка гофрированный графен.

Изображение поверхности теллурида висмута, покрытой слоями станена. Изображение: Feng-feng Zhu et al. / Nature Materials, 2015

Фотоэлектронная спектроскопия, в свою очередь, позволила определить электронную структуру станена, она с большой долей точности совпала с теоретическими расчетами. По предсказаниям физиков-теоретиков, станен должен обладать необычными свойствами. К примеру, он может оказаться топологическим сверхпроводником, обладающим такими свойствами при температурах порядка комнатной. К сожалению, обнаружить этот эффект не удалось — по словам авторов, станен слишком сильно взаимодействует с подложкой теллурида висмута.

Электронная структура станена, полученая методом ARPES. Изображение: Feng-feng Zhu et al. / Nature Materials, 2015

Эксперты в области двумерных материалов относятся к статье со сдержанным оптимизмом. В частности, Ральф Клезенн, физик Университета Вюрцбурга, указывает, что для точного подтверждения структуры материала необходимо получить картины рентгеновской дифракции. Сканирующая туннельная микроскопия позволяет надежно увидеть лишь верхний из двух слоев в станене. В свою очередь Гай Ле Лей, один из первых экспериментаторов, синтезировавших германен и силицен (предшественники станена из германия и кремния, соответственно), сравнивает синтез станена с полетом на Луну: «Самый важный шаг — первый шаг».

Графен был синтезирован в 2004 году группой Константина Новоселова и Андрея Гейма. Он оказался первым доказательством существования двумерных материалов, ранее считалось, что это невозможно. Вслед за синтезом графена были получены ряд ближайших аналогов, например, изоэлектронный ему нитрид бора, а также силицен и германен — из кремния и германия, расположенных под углеродом в таблице Менделеева. Кроме того, в 2014 году был синтезирован фосфорен, построенный на атомах фосфора.