4月23日，日本国立研究开发法人原子能研究开发机构（JAEA）原子能科学研究所尖端基础研究中心表面界面科学团队寺泽知潮研究副主干等人组成的研究团队，与东京大学生产技术研究所、精细陶瓷中心合作发表研究成果称，阐明了片状量子比特候选材料“锗烯”的生长机制。研究团队依托自研技术解析其成型过程后证实，经室温升温再降温两道工序使银薄膜表面锗元素含量持续升高，是形成片状结构的关键。该成果有望为量子比特材料的探索做出贡献。相关研究成果已发表在美国化学会发行的《Chemistry of Materials》的3月10日刊上。
图1 锗原子聚集在表面形成锗烯的流程（概念图）（供图：原子能研究开发机构）
锗烯与石墨烯一样，是锗原子呈蜂窝状排列的单原子层材料，理论上被预测为实现量子比特的候选材料。该材料由名古屋大学的柚原淳司副教授等人开发，通过在锗基板上制作银薄膜，经加热和冷却后，在银薄膜上形成片状锗烯。
锗在自然界中以最稳定的三维颗粒状结晶存在，但为何会形成片状锗烯，迄今为止始终未能阐明。此外，锗烯容易与空气发生反应，分析本身也存在困难。
为此，研究团队通过解析锗烯形成过程，希望能阐明片状锗烯的形成机制。
首先，研究人员在锗基板上制备出厚度为150纳米的银薄膜，在真空中加热至500℃后冷却至室温，利用拉曼光谱法分析了锗烯形成的过程。研究采用团队自研的可适配高温真空环境的拉曼光谱装置。该方法能够检测锗的结合状态。
结果发现，300℃下析出在银薄膜表面的锗呈颗粒形态，升温至500℃后该结构的峰值消失，被认为转变成了可移动的原子状态。随后从500℃高温逐渐冷却，温度降至300℃时，又出现了代表锗烯存在的峰值。
为进一步探明锗烯原子的运动规律，研究团队利用日本大型同步辐射光源SPring-8内由原子能机构搭建的光束线站，开展了X射线光电子能谱分析。在加热和冷却的同时观察了银薄膜上锗原子的量。该方法可检测原子的量和状态。
结果显示，从室温加热至300℃，表面的锗量增加，继续加热至500℃时进一步增加；冷却至300℃时也出现增加。
研究团队结合锗对温度的反应对这一机制进行了探讨。锗原子的移动距离随温度变化，估算温度保持（10分钟）期间的移动距离时发现，在500℃时约为490纳米，能够超过银薄膜厚度（150纳米）大范围移动；而从500℃冷却至300℃时，移动距离约为7.8纳米，无法穿透银薄膜。
从500℃冷却至300℃的过程中，由于锗大量溶入银薄膜中且移动距离变短，导致锗又大量聚集在表面，促进了锗的横向键合，从而选择性地形成了锗烯。
今后可依据设计机理，实现锗烯材料的稳定制备
寺泽研究副主干表示：“随着锗烯作为量子比特候选材料被进一步研究，本次成果可为该领域整体发展提供关键技术支撑。同时也期望该理论能够广泛应用于各类材料研发工作。今后，我们也将持续进行研究，希望能研发出可完整剥离银薄膜表面片状锗烯的技术”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chemistry of Materials
论文：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
