Bi(lll)超薄薄膜表面态的扫描隧道显微术研究
第一章扫描隧道显微镜实验原理和实验方法
超高真空系统由真空腔体、各种真空累化及真空检测器件组成,主要作用是用于产生、检测并维持超高真空的实验环境。而真空的腔体主要分为进样腔、制样腔和交换腔,它们之间用超商真空间板阀相连。进样腔连接着以旋转机械系为前级的旋叶分子累,机械泉和分子累依靠机械方式抽取气体。而制样腔和交换腔都连接有铁离子吸附累,铁离子泉依靠高压将气体离子带到紋板电极掩埋而获得高真空,离子量的抽气速率不高,不能工作在真空较低的环境,是维持超高真空条件的主要设备。而离子累都附有铁升华粟,可以在短时间内升华出锭蒸气,利用钱的活性吸附气体,是提高真空的辅助手段。此外,每个真空腔都装有真空电离规管,用从测量各个腔的真空程度。要获得超高真空的实验条件,除了使用各种累之外,还需要有一个烘烤的过程。在第一次仪器安装完成或者以后每次让腔体回复大气条件的检修之后,都要进行烘烤,才能使系统达到超高真空。在真空腹连接安装完毕之后,利用机械索和分子粟组抽空腔中气体,同时加热烘烤整个真空系统的腔体至150左右,待真空达到量级或更好的气压后,停止烘烤并转用离子泉一铁升华泉联用,使腔内达到超高真空。而把腔体分为三级式的结构,是为了方便往真空放入或从中取出样品或针尖。王个腔体可隔离的结构可以用中间的制样腔进行过渡连接。短时间的连通进样腔和制样脏,会对制样腔的超高真空产生短时影响,但是能够慢慢恢复到超高真空,这时候间板阀的隔离使得STM工作的交换腔不受影响。
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第二章Bi材料的基本性质和Bi(lll)超薄薄膜的制备
2.1Bi材料的基本性质
优化过的紧束缚模型,可很好的解释德.哈斯-范.阿尔芬实验所观察的Bi费米面结构。根据该能带结构计算的电子能量态密度(图12C)在费米能附近有很大的下降,这也与Bi的半金属的性质吻合。图2.2b展示出Bi菱方单胞在倒易空间中第一布里渊区。图中还示意性地标出Bi体能带费米面在两个T点和六个r点分别形成很小的holepockets和electronpockets。然而,Bi是重元素,其外层电子有很强的自旋-轨道稱合(SOC)相互作用(Bi的6p电子的P3/2-P1/2分裂能可达1.5eV。在考虑了SOC作用后,Gonze等利用第一性原理计算的Bi体材料r-T方向的能带结构,在图2.2a中以红线标出。旋轨锅合相互作用可能使得不同自旋的能带分裂,但是晶体中由于晶体结构的镜面对称性,Bi体能态并未出现分發。然而,在晶体表面,晶体结构的对称性将被打破,旋轨锅合作用将导致表面能态的分裂,使得Bi薄膜、纳米线等低维材料展现出与体材料完全不同的性质。2.2Bi(lll)薄膜的制备
薄膜的生长过程如图2.1所示。在室温下,Bi刚开始在Si表面沉积的时候,会形成无规则的浸润层,而适当的退火可以让无规则的浸涧层转化规则结构的重构吸附表面。无论从浸润层或者吸附重构表面开始,都要进过一定层数的过渡,薄膜才呈现Bi(lll)的表面。而从重构层开始外延生长薄膜,需要比技多层的过渡才能最终呈现Bi(lll)表面,所我们采用较简单的从浸润层开始生长。由于不需要退火形成吸附重构表面,直接可以从干净的重构表面开始,连续蒸发沉积Bi原子,生长过程也比较简单。浸涧层的存在,使得Bi薄膜和Si衬底之间的相互作用很弱,使得Bi薄膜更像是空间自由(freestanding)的薄膜。
第三章Bi(lll)超薄薄膜表面态朗道量子化的STM研究.......43
3.1研究背景.......433.2强磁场下Bi((lll)薄膜表面的朗道量子化STS.......55
3.3对实验结果的讨论72
第四章Bi(lll)超薄薄膜表面准粒子干涉的STM研究.......77
4.1研究背景..........77
4.2Bi(lll)表面吸附缺陷的散射干涉.......84
第五章Bi(lll)超薄薄膜表面吸附Co原子的STM研究.......101
5.1研究背景.......101
5.2实验结果和分析.......104
5.3小结与展望.......114
第四章Bi(lll)超薄薄膜表面准粒子干涉的STM研究
4.1研究背景
电子是具有波粒二象性的微观粒子,拥有一般波都具有的衍射、干涉等性质。在量子力学中利用波函数去描述电子的波动性,表示电子在不同时间、不同空间出现的概率。实际电子在晶体中的运动会受到原子和其他电子的作用,直接计算其运动状态将会变成难解的多体问题。在凝聚态物理学中,引入了"准粒子"的概念,将运动中受到来自原子核及其它电子的作用的电子,视作带有不同质量的自由电子,使得问题被大大简化。在处理晶体中电子的散射、干涉等问题的时候,也可以用准粒子近似晶体中参与干涉的电子,送时候晶体中电子的干涉问题就简化成为了准粒子干涉(QPI)的问题。电子在均匀干净的晶体肉部或者表面运动,相当于电子的概率波在连续均匀的介质中传播,不同区域电子出现的概率经过时间平均后是一致的,因此电子态密度的空间分布也是均匀的。但是在有杂质、缺陷或者远界存在的情况下,电子的概率波就会被散射,散射之后的电子概率波会干涉形成驻波。込时候电子在不同空间位出现概率会有高低之分,使得电子态密度的空间分布也出现巧应的起伏。第一章中介绍过,将STM成像技术和STS技术结合在一起,就可臥获得样品表面电子局域态密度的空间分布图像。因此,利用STM很容易就可通过探测样品表面电子局域态密度的空间分布来研究表面准粒子干涉。4.2Bi(lll)表面吸附缺陷的散射干涉
拥有手性自旋结构表面态的各种拓扑绝缘体表面的准粒子干涉己为人们所广泛研究。在第二章中我们介绍了Bi(lll)表面存在自旋一轨道稱合分裂的表面态,自旋分辨的ARPES己经证实其表面态拥有的手性的自旋结构,因此Bi(lll)表面态的自旋也对其表面上准粒子干涉过程有着很大的影响。本章的工作主要是利用STM研究Bi(lll)烤面态在点缺陷、台阶边缘和原子等表面结构附近的准粒子散射干涉行为。本章的STM实验都是在液氨冷阱温度(4.2K)下进行。Co原子是在低温下被蒸发沉积在Bi(lll)样品表面的,这里选用的是一般的连续的Bi(lll)薄膜作为沉积Co原子的衬底。详细的样品制备方法和吸附结构,以及吸附结构的原子分辨STM图像会在第五章中洋细的介绍。这里主要是利用吸附Co原子后的缺陷作为表面准粒子散射中也,以此来获得比较丰富的表面散射驻波。...
第五章Bi(lll)超薄薄膜表面吸附Co原子的STM研究
5.1研究背景
磁性的原子或分子在非磁性的金属表面的吸附,如果磁性原子还保留着磁矩,那么我们可以利用STM和STS从几个方面去探测其磁性.1、利用STS中非弹性隧穿信号探测与杂质自旋态有关的激发;2、直接利巧自旋极化的探针探测杂质的磁性;3、利用杂质自旋与衬底金属传导电子自旋相互作用,如Kondo效应间接获得杂质的自旋信息。我们实验中并未探测到吸附的Co原子有任何自旋激发特征的。我们制备的覆盖Fe原子层的探针[刘小刚2012],的确能够区分Bi(lll)表面不同自旋极化方向的Co。但是在表面吸附磯性纳米结构的实验中,我们制备的自旋极化探针还没有获得足够好的结果。所以这里只对送两方面研究背景做简单的介绍,不再深入讨论。但是这些利用STM研究表面吸附结构磁性的办法,很有可能用于将来进一步的研究中。5.2实验结果和分析
我们的Co金属蒸发源被安装在近邻低温STM扫面头的交换腔,样品只要从扫面头中取出就立刻可以传送到蒸发沉积的位置。采用Omicron公司的电子束加热蒸发源,使用棒状Co源,利用蒸发源自身带有的束流监控调节Co原子的蒸发速率。我们采用一般的连续的Bi(lll)薄膜样品作为Co原子沉积的衬底。在蒸发之前, Bi(lll)膊膜样品己经被传到低温头冷却到4.化的温度,或者之前就在4.2K的温度条件下先对干净的Bi(lll)薄膜样品进行了一些必要的STM测量实验。蒸发源开始预热的时候,就将样品的传送杆伸长到触碰到4.2K的样品。......
参考文献（略）
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本文编号：152340
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/152340.html
