Synthesizing monolayers and heterostructures is an enabling approach to extract new physical phenomena from bulk materials. Among the structures amenable to this approach is stanene, which is a monolayer of tin, similar to graphene, and has been predicted to host one-dimensional topological states at its edges. Stanene can be tuned by decorating with different adatoms, which makes it a promising platform on which to engineer topological devices. Here, we deposit Sn on Bi2Te3 and characterize the growth using anomalous synchrotron x-ray scattering and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). X-ray diffraction data reveal the formation of epitaxial Sn-based structures, along with penetration of Sn into the Bi2Te3, with Sn intercalating between the upper 10 Bi2Te3 quintuple layers. Additionally, XPS data show deposited Sn reacting to form SnTe and Bi at the Bi2Te3 surface. The calculated heat of reaction for Sn and Bi2Te3 is consistent with an exothermic reaction to SnTe and Bi. Using thermodynamic calculations as a guide, we identify several candidate substrates that can stabilize the stanene phase.

1.
K. I.
Bolotin
,
K. J.
Sikes
,
Z.
Jiang
,
M.
Klima
,
G.
Fudenberg
,
J.
Hone
,
P.
Kim
, and
H. L.
Stormer
,
Solid State Commun.
146
,
351
(
2008
).
2.
L.
Liao
,
Y.-C.
Lin
,
M.
Bao
,
R.
Cheng
,
J.
Bai
,
Y.
Liu
,
Y.
Qu
,
K. L.
Wang
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nature
467
,
305
(
2010
).
3.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
4.
D.
Li
,
K.
Lee
,
B. Y.
Wang
,
M.
Osada
,
S.
Crossley
,
H. R.
Lee
,
Y.
Cui
,
Y.
Hikita
, and
H. Y.
Hwang
,
Nature
572
,
624
(
2019
).
5.
I.
Bozovic
and
C.
Ahn
,
Nat. Phys.
10
,
892
(
2014
).
6.
J.-F.
Ge
,
Z.-L.
Liu
,
C.
Liu
,
C.-L.
Gao
,
D.
Qian
,
Q.-K.
Xue
,
Y.
Liu
, and
J.-F.
Jia
,
Nat. Mater.
14
,
285
(
2015
).
7.
K.
Zou
,
S.
Mandal
,
S. D.
Albright
,
R.
Peng
,
Y.
Pu
,
D.
Kumah
,
C.
Lau
,
G. H.
Simon
,
O. E.
Dagdeviren
,
X.
He
,
I.
Božović
,
U. D.
Schwarz
,
E. I.
Altman
,
D.
Feng
,
F. J.
Walker
,
S.
Ismail-Beigi
, and
C. H.
Ahn
,
Phys. Rev. B
93
,
180506
(
2016
).
8.
R.
Peng
,
K.
Zou
,
M. G.
Han
,
S. D.
Albright
,
H.
Hong
,
C.
Lau
,
H. C.
Xu
,
Y.
Zhu
,
F. J.
Walker
, and
C. H.
Ahn
,
Sci. Adv.
6
,
eaay4517
(
2020
).
9.
Q.
Si
,
R.
Yu
, and
E.
Abrahams
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16017
(
2016
).
10.
M.
König
,
S.
Wiedmann
,
C.
Brüne
,
A.
Roth
,
H.
Buhmann
,
L. W.
Molenkamp
,
X.-L.
Qi
, and
S.-C.
Zhang
,
Science
318
,
766
(
2007
).
11.
P.
Leubner
,
L.
Lunczer
,
C.
Brüne
,
H.
Buhmann
, and
L. W.
Molenkamp
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
086403
(
2016
).
12.
X.
Qian
,
J.
Liu
,
L.
Fu
, and
J.
Li
,
Science
346
,
1344
(
2014
).
13.
S.
Tang
,
C.
Zhang
,
D.
Wong
,
Z.
Pedramrazi
,
H.-Z.
Tsai
,
C.
Jia
,
B.
Moritz
,
M.
Claassen
,
H.
Ryu
,
S.
Kahn
,
J.
Jiang
,
H.
Yan
,
M.
Hashimoto
,
D.
Lu
,
R. G.
Moore
,
C.-C.
Hwang
,
C.
Hwang
,
Z.
Hussain
,
Y.
Chen
,
M. M.
Ugeda
,
Z.
Liu
,
X.
Xie
,
T. P.
Devereaux
,
M. F.
Crommie
,
S.-K.
Mo
, and
Z.-X.
Shen
,
Nat. Phys.
13
,
683
(
2017
).
14.
J.
Liu
,
T. H.
Hsieh
,
P.
Wei
,
W.
Duan
,
J.
Moodera
, and
L.
Fu
,
Nat. Mater.
13
,
178
(
2014
).
15.
I. T.
Rosen
,
E. J.
Fox
,
X.
Kou
,
L.
Pan
,
K. L.
Wang
, and
D.
Goldhaber-Gordon
,
npj Quantum Mater.
2
,
69
(
2017
).
16.
K.
Yasuda
,
M.
Mogi
,
R.
Yoshimi
,
A.
Tsukazaki
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
,
F.
Kagawa
, and
Y.
Tokura
,
Science
358
,
1311
(
2017
).
17.
Q. L.
He
,
L.
Pan
,
A. L.
Stern
,
E. C.
Burks
,
X.
Che
,
G.
Yin
,
J.
Wang
,
B.
Lian
,
Q.
Zhou
,
E. S.
Choi
,
K.
Murata
,
X.
Kou
,
Z.
Chen
,
T.
Nie
,
Q.
Shao
,
Y.
Fan
,
S.-C.
Zhang
,
K.
Liu
,
J.
Xia
, and
K. L.
Wang
,
Science
357
,
294
(
2017
).
18.
K.
Zou
,
S. D.
Albright
,
O. E.
Dagdeviren
,
M. D.
Morales-Acosta
,
G. H.
Simon
,
C.
Zhou
,
S.
Mandal
,
S.
Ismail-Beigi
,
U. D.
Schwarz
,
E. I.
Altman
,
F. J.
Walker
, and
C. H.
Ahn
,
APL Mater.
7
,
051106
(
2019
).
19.
Y.
Xu
,
B. H.
Yan
,
H. J.
Zhang
,
J.
Wang
,
G.
Xu
,
P. Z.
Tang
,
W. H.
Duan
, and
S. C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
136804
(
2013
).
20.
Y.
Xu
,
P. Z.
Tang
, and
S. C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
92
,
081112
(
2015
).
21.
P. Z.
Tang
,
P. C.
Chen
,
W. D.
Cao
,
H. Q.
Huang
,
S.
Cahangirov
,
L. D.
Xian
,
Y.
Xu
,
S. C.
Zhang
,
W. H.
Duan
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
90
,
121408
(
2014
).
22.
T. V.
Menshchikova
,
I. P.
Rusinov
,
P.
Golub
,
I. Y.
Sklyadneva
,
R.
Heid
,
A.
Isaeva
,
V. M.
Kuznetsov
, and
E. V.
Chulkov
,
J. Mater. Chem. C
7
,
7929
(
2019
).
23.
F. F.
Zhu
,
W. J.
Chen
,
Y.
Xu
,
C. L.
Gao
,
D. D.
Guan
,
C. H.
Liu
,
D.
Qian
,
S. C.
Zhang
, and
J. F.
Jia
,
Nat. Mater.
14
,
1020
(
2015
).
24.
J. F.
Gao
,
G.
Zhang
, and
Y. W.
Zhang
,
Sci. Rep.
6
,
29107
(
2016
).
25.
H.
Wang
,
S. T.
Pi
,
J.
Kim
,
Z.
Wang
,
H. H.
Fu
, and
R. Q.
Wu
,
Phys. Rev. B
94
,
035112
(
2016
).
26.
C.
Yelgel
,
J. Appl. Phys.
125
,
155301
(
2019
).
27.
P.
Li
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
11150
(
2019
).
28.
S. K.
Sahoo
and
K. H.
Wei
,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1900752
(
2019
).
29.
J.
Yuhara
,
Y.
Fujii
,
K.
Nishino
,
N.
Isobe
,
M.
Nakatake
,
L.
Xian
,
A.
Rubio
, and
G.
Le Lay
,
2D Mater.
5
,
025002
(
2018
).
30.
M.
Liao
,
Y.
Zang
,
Z.
Guan
,
H.
Li
,
Y.
Gong
,
K.
Zhu
,
X.-P.
Hu
,
D.
Zhang
,
Y.
Xu
,
Y.-Y.
Wang
,
K.
He
,
X.-C.
Ma
,
S.-C.
Zhang
, and
Q.-K.
Xue
,
Nat. Phys.
14
,
344
(
2018
).
31.
J.
Falson
,
Y.
Xu
,
M.
Liao
,
Y.
Zang
,
K.
Zhu
,
C.
Wang
,
Z.
Zhang
,
H.
Liu
,
W.
Duan
,
K.
He
,
H.
Liu
,
J. H.
Smet
,
D.
Zhang
, and
Q.-K.
Xue
,
Science
367
,
1454
(
2020
).
32.
N.
Bansal
,
Y. S.
Kim
,
E.
Edrey
,
M.
Brahlek
,
Y.
Horibe
,
K.
Iida
,
M.
Tanimura
,
G.-H.
Li
,
T.
Feng
,
H.-D.
Lee
,
T.
Gustafsson
,
E.
Andrei
, and
S.
Oh
,
Thin Solid Films
520
,
224
(
2011
).
33.
L.
He
,
F.
Xiu
,
Y.
Wang
,
A. V.
Fedorov
,
G.
Huang
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
W. P.
Beyermann
,
J.
Zou
, and
K. L.
Wang
,
J. Appl. Phys.
109
,
103702
(
2011
).
34.
U.
Köhler
,
O.
Jusko
,
G.
Pietsch
,
B.
Müller
, and
M.
Henzler
,
Surf. Sci.
248
,
321
(
1991
).
35.
S. I.
Stenin
and
A. I.
Toropov
, in
Growth of Crystals: Volume 16
, edited by
K. S.
Bagdasarov
and
É. L.
Lube
(
Springer US
,
Boston
,
MA
,
1991
), p.
113
.
36.
Y.
Kajikawa
,
M.
Nishigaichi
,
M.
Inoue
, and
M.
Kayano
,
Phys. Status Solidi A
217
,
1900425
(
2020
).
37.
T. P.
Debies
and
J. W.
Rabalais
,
Chem. Phys.
20
,
277
(
1977
).
38.
R. B.
Shalvoy
,
G. B.
Fisher
, and
P. J.
Stiles
,
Phys. Rev. B
15
,
1680
(
1977
).
39.
J. F.
McGilp
,
P.
Weightman
, and
E. J.
McGuire
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
10
,
3445
(
1977
).
40.
J.
Li
,
T.
Lei
,
J.
Wang
,
R.
Wu
,
J.
Zhao
,
L.
Zhao
,
Y.
Guo
,
H.
Qian
, and
K.
Ibrahim
,
J. Phys. Chem. C
124
,
4917
(
2020
).
41.
M.
Horn-von Hoegen
,
F. J.
Meyer zu Heringdorf
,
M.
Kammler
,
C.
Schaeffer
,
D.
Reinking
, and
K. R.
Hofmann
,
Thin Solid Films
343-344
,
579
(
1999
).
42.
S.
Naik
,
G. K.
Pradhan
,
S. G.
Bhat
,
B. C.
Behera
,
P. S. A.
Kumar
,
S. L.
Samal
, and
D.
Samal
,
Physica C
561
,
18
(
2019
).
43.
J.
Yuhara
,
N.
Isobe
,
K.
Nishino
,
Y.
Fujii
,
L. H.
Chan
,
M.
Araidai
, and
M.
Nakatake
,
J. Phys. Chem. C
123
,
22293
(
2019
).
44.
F. J.
Walker
,
E. D.
Specht
, and
R. A.
McKee
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
2818
(
1991
).
45.
Y.
Uchida
,
N.
Katsumata
, and
K.
Ishida
,
Thin Solid Films
427
,
294
(
2003
).
46.
R. A.
McKee
,
F. J.
Walker
, and
M. F.
Chisholm
,
Science
293
,
468
(
2001
).
47.
A.
Barfuss
,
L.
Dudy
,
M. R.
Scholz
,
H.
Roth
,
P.
Höpfner
,
C.
Blumenstein
,
G.
Landolt
,
J. H.
Dil
,
N. C.
Plumb
,
M.
Radovic
,
A.
Bostwick
,
E.
Rotenberg
,
A.
Fleszar
,
G.
Bihlmayer
,
D.
Wortmann
,
G.
Li
,
W.
Hanke
,
R.
Claessen
, and
J.
Schäfer
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
157205
(
2013
).
48.
J. L.
Deng
,
B. Y.
Xia
,
X. C.
Ma
,
H. Q.
Chen
,
H.
Shan
,
X. F.
Zhai
,
B.
Li
,
A. D.
Zhao
,
Y.
Xu
,
W. H.
Duan
,
S. C.
Zhang
,
B.
Wang
, and
J. G.
Hou
,
Nat. Mater.
17
,
1081
(
2018
).
49.
D. A.
Luh
,
C. H.
Wang
, and
Y. W.
Yang
,
Thin Solid Films
682
,
44
(
2019
).
50.
T.
Osaka
,
H.
Omi
,
K.
Yamamoto
, and
A.
Ohtake
,
Phys. Rev. B
50
,
7567
(
1994
).
51.
B.
Roldan Cuenya
,
M.
Doi
, and
W.
Keune
,
Surf. Sci.
506
,
33
(
2002
).
52.
Y. N.
Liu
,
N.
Gao
,
J. C.
Zhuang
,
C.
Liu
,
J. O.
Wang
,
W. C.
Hao
,
S. X.
Dou
,
J. J.
Zhao
, and
Y.
Du
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
1558
(
2019
).
53.
W.
Pang
,
K.
Nishino
,
T.
Ogikubo
,
M.
Araidai
,
M.
Nakatake
,
G.
Le Lay
, and
J.
Yuhara
,
Appl. Surf. Sci.
517
,
146224
(
2020
).
54.
J.
Li
,
T.
Lei
,
J.
Wang
,
R.
Wu
,
H.
Qian
, and
K.
Ibrahim
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
101601
(
2020
).
55.
X.
Zheng
,
J.-F.
Zhang
,
B.
Tong
, and
R.-R.
Du
,
2D Mater.
7
,
011001
(
2019
).
56.
S.
Eltinge
and
S.
Ismail-Beigi
, “Structure and binding of stanene on the Al2O3(0001) surface,” arXiv:2009.00684 (
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.