硅表面铁磁锰单原子纳米线的结构与生长机制研究取得进展

硅半导体表面重构以及表面吸附原子在硅表面上的自组装研究是理论和实验科学工作者长期以来共同关注的重要课题之一。由于MnSi等锰基化合物具有铁磁性和较高的居里温度，因此被认为是最有望实现自旋传导的磁性材料。实验发现，锰在室温下可在硅(001)面上自组装形成单原子纳米线和小纳米团簇，为研究该类磁性纳米结构提供了一个良好的范例。

    最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)王建涛研究员及其合作者美国内华达大学陈长风教授、北京大学王恩哥教授、日本东北大学金属材料研究所川添教授等通过第一性原理计算，系统地研究了硅(001)表面上锰纳米线和纳米团簇的结构稳定性及其形成机制。

    研究发现，锰在硅(001)面上形成一种新的magic 3n+1 atom dense trimerlike linear chains结构。动力学研究表明，锰原子在硅表面非常容易扩散，各向异性吸附导致纳米线的形成。由于沿着锰纳米线生长方向应力的作用，在表面槽上的两个Mn原子形成dimerlike buckled结构，而在硅表面上的一个Mn原子被挤压在硅表面原子层(dimer row)内，形成具有3个原子为周期的幻数纳米线结构(见图)。这种新的纳米结构与III-族和V-族元素纳米线有着本质的不同。III-族元素镓等在硅(001)面上形成dimerlike linear chains结构，而V-族元素铋等在硅面上形成double-core 5-7-5 Bi nanolines结构。

    这些结果为在半导体硅表面上制备磁性纳米结构提供了重要理论支撑，对理解硅表面重构及有关物性具有广泛的科学意义。相关详细内容发表于9月8日出版的美国《物理评论快报》上。

    该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院知识创新工程重要方向项目的支持。