Bi(111)超薄薄膜表面態(tài)的掃描隧道顯微術(shù)研究.pdf

1、金屬鉍(Bi)的體材料和表面擁有很多奇特的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)。由于Bi體材料獨(dú)特的電子性質(zhì)，很早以前人們就在Bi單晶中發(fā)現(xiàn)了磁振蕩現(xiàn)象。這些磁振蕩現(xiàn)象和Bi體材料的朗道量子化有關(guān)。因?yàn)锽i體材料的費(fèi)米面在動量空間只占有很小的體積，并且表現(xiàn)出高度的各向異性。在沿著三次軸方向也就是(111)方向施加約9T的外磁場下，很容易就達(dá)到Bi體材料的量子極限(quantum limit)，即在輸運(yùn)測量中所有載流子都被限制在最低的朗道能級，因而朗道量子

2、化不再反映在輸運(yùn)測量中。近年的一些研究中陸續(xù)在Bi體材料中觀察到了一些新奇的現(xiàn)象，如所謂的Bi體材料的分?jǐn)?shù)量子化、能谷極化(valley polarization)、強(qiáng)場下的狄拉克電子相變等，但這些現(xiàn)象的物理機(jī)制引起了極大的爭議。其中一個可能原因是在這些測量中，忽略了Bi表面電子態(tài)的作用。然而，迄今為止，人們對表面電子態(tài)的朗道量子化現(xiàn)象還沒有實(shí)驗(yàn)觀測。表面電子態(tài)的朗道能級很可能在體態(tài)朗道能級測量中表現(xiàn)出來，而引起分析中的困難，甚至引起對

3、Bi體材料物理機(jī)理的認(rèn)識偏差。
　　單晶Bi是菱方結(jié)構(gòu)的，其三次對稱軸正好垂直于(111)表面。Bi(111)表面呈蜂巢狀的雙原子層結(jié)構(gòu)，是Bi單晶的自然解理表面，也是外延生長薄膜的傾向表面。Bi(111)表面態(tài)由于很強(qiáng)的自旋軌道耦合作用而產(chǎn)生Rashba自旋分裂，使得Bi(111)的表面態(tài)和體態(tài)有很大的差異。首先，表面能態(tài)直接跨越費(fèi)米能級，使得Bi(111)表面呈現(xiàn)金屬性。輸運(yùn)測量就發(fā)現(xiàn)表面態(tài)對Bi(111)薄膜的電導(dǎo)有很大的貢

4、獻(xiàn)。其次，Rashba自旋分裂使得Bi(111)表面態(tài)呈現(xiàn)渦旋狀的自旋結(jié)構(gòu)，也被角分辨光電子能譜（ARPES）實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。因?yàn)锽i(111)表面容易通過解理或外延生長手段而獲得，且其表面態(tài)擁有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和自旋結(jié)構(gòu)，所以Bi(111)表面有非常大的研究價值。
　　掃描隧道顯微鏡(STM)的高空間分辨，高能量分辨，以及表面敏感的特性，使得其特別適合用于對表面二維電子系進(jìn)行探測和研究。本論文的主要工作就是利用STM研究在Si(111

5、)-7×7表面外延生長的Bi(111)超薄薄膜。重點(diǎn)研究了Bi(111)表面態(tài)的郎道量子化和干涉駐波，以及表面磁性原子對Bi表面電子散射作用。
　　第一章，首先簡要地介紹了STM的工作原理和結(jié)構(gòu)。然后，介紹我們實(shí)驗(yàn)所用的極低溫、強(qiáng)磁場、超高真空掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。最后，介紹了獲得各種極端實(shí)驗(yàn)條件的技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法。
　　第二章，首先簡單介紹了Bi單晶和薄膜材料的一些基本性質(zhì)，并闡明對Bi(111)超薄薄膜的研究意義。然后，介紹

6、了在Si(111)-7×7表面外延生長Bi(111)超薄薄膜的方法。最后利用第一性原理計(jì)算的結(jié)果很好地解釋了Bi(111)表面掃面隧道譜的特征。
　　第三章，利用強(qiáng)磁場下掃描隧道譜(STS)測量，成功分辨出Bi(111)表面態(tài)的朗道量子化。在強(qiáng)磁場下，STS譜出現(xiàn)能量分立的峰。這些分立峰會隨著磁場的增加而變化，呈現(xiàn)出朗道能級的特征。利用類比于傳統(tǒng)磁阻振蕩實(shí)驗(yàn)的分析方法再結(jié)合第一性原理計(jì)算，我們推斷所觀察到的強(qiáng)磁場下STS譜中出現(xiàn)的

7、分立峰是Bi(111)二維表面態(tài)朗道量子化的結(jié)果。
　　第四章，研究了Bi(111)薄膜表面吸附缺陷和原子臺階附近的駐波。這些駐波其實(shí)是材料中準(zhǔn)粒子的干涉波，因此也被稱為準(zhǔn)粒子干涉。利用第一性原理計(jì)算得到的表面態(tài)能帶結(jié)構(gòu)加上手性的自旋結(jié)構(gòu)，我們得到了較好的對駐波傅里葉變換圖樣的模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明Bi(111)表面態(tài)具有渦旋狀自旋結(jié)構(gòu)。
　　第五章，研究Co原子在Bi(111)薄膜表面的吸附。利用STM圖像和理論計(jì)算，我們確定