二維Au晶格構(gòu)筑及其性質(zhì)研究.pdf

1、二維結(jié)構(gòu)材料因其獨(dú)特的對(duì)稱性和缺失的第三維度具有與體材料截然不同的物理性質(zhì)，包括獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電學(xué)性能以及拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)等;其固有的柔韌性、堅(jiān)固性以及超薄等特點(diǎn)，還使得二維結(jié)構(gòu)材料擁有良好的機(jī)械屬性。這些新奇特性使得二維結(jié)構(gòu)材料在信息領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)今最熱門的研究課題之一。而如何在廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的硅基結(jié)構(gòu)上制備穩(wěn)定有序的二維材料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)器件上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。因此，本論文著重針對(duì)硅基

2、二維金屬晶格的制備、結(jié)構(gòu)表征以及性質(zhì)探索等幾個(gè)方面展開(kāi)系統(tǒng)研究，具體包括以下三個(gè)部分:
　　1.研究Si(111)-7×7表面上Au二維晶格的可控制備和原子構(gòu)型。實(shí)驗(yàn)通過(guò)室溫沉積并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目焖偻嘶鹛幚恚行У乜刂艫u在Si基底表面的排布和外延結(jié)構(gòu)的形成。隨著覆蓋度的增加，Au-Si表面結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了Au6Si3團(tuán)簇—1LAu/Si團(tuán)簇層—二維Au晶格—第三層Au島的演化過(guò)程，而Au與Si襯底間的相互作用也逐漸減弱。精確控制生長(zhǎng)條件可

3、制備得到大面積規(guī)則有序的二維Au晶格。對(duì)RHEED衍射圖樣的分析表明，對(duì)比干凈的Si(111)-7×7表面，Au6Si3團(tuán)簇出現(xiàn)了表面幻數(shù)團(tuán)簇的衍射特征，而1L Au/Si團(tuán)簇層呈現(xiàn)出微弱的衍射新條紋，并在二維Au品格中形成特征的衍射條紋。通過(guò)比對(duì)Si(111)-1×1表面衍射條紋間距可知，這些特征衍射條紋來(lái)自間距約為4.6(A)的Au原子。結(jié)合覆蓋度和第一性原理計(jì)算可知，相比于Au6Si3團(tuán)簇，1L Au/Si團(tuán)簇將在每個(gè)半單胞中總能

4、最低的3個(gè)H3位吸附Au原子以飽和7×7表面剩余的懸掛鍵。而在1L Au/Si團(tuán)簇層之上，Au原子以密堆積的方式排布形成了由限制于半單胞內(nèi)的全同Au團(tuán)簇周期排列而成的二維Au晶格。
　　2.利用掃描隧道顯微鏡/譜研究二維Au晶格的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。對(duì)比+3.0V和+2.5 V偏壓下的STM圖像發(fā)現(xiàn)，二維Au晶格內(nèi)存在很強(qiáng)的量子耦合效應(yīng)，出現(xiàn)了類似于Kagome晶格的STM圖像;而在低偏壓和負(fù)偏壓區(qū)域則表現(xiàn)為有序度很低的STM圖像

5、。利用掃描隧道譜表征發(fā)現(xiàn)，二維Au晶格的STS譜中出現(xiàn)了反常的非對(duì)稱寬導(dǎo)電帶隙，其帶隙從-3.0 V到+1.1 V。對(duì)其起源與機(jī)制探討表明，隧穿的電子以de Broglie波的形式在二維Au晶格中傳播，在特定的電壓（能量）范圍內(nèi)無(wú)法向外輸運(yùn)，傳播受到阻塞，形成帶隙，而電子與空穴有效質(zhì)量的不同造成了帶隙的非對(duì)稱性。有限元模擬顯示載流子在二維Au晶格中傳播產(chǎn)生了-3.0～+1.3 V的傳播帶隙，與STS譜測(cè)量的結(jié)果符合得很好，并且載流子的輸

6、運(yùn)行為進(jìn)一步地由二維Au晶格的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性所調(diào)制。
　　3.針對(duì)Au和Zn二維晶格的結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)上，兩者都呈現(xiàn)出六角蜂窩狀結(jié)構(gòu);在輸運(yùn)性質(zhì)上，二維Zn晶格相對(duì)1L Zn/Si團(tuán)簇也出現(xiàn)了反常增大的導(dǎo)電帶隙，但其增大幅度明顯小于Au/Si體系。對(duì)于二者的差異我們主要從三個(gè)方面來(lái)分析:(1)二維Zn晶格與二維Au晶格的原子結(jié)構(gòu)不同;(2)兩種晶格與Si襯底的相互作用強(qiáng)度不同;(3)兩種二維晶格面內(nèi)的耦合