表面原子超晶格對金屬薄膜量子阱態(tài)物性的調(diào)控.pdf

1、隨著分子束外延以及掃描隧道顯微鏡等表面技術(shù)的進(jìn)步，低維材料已經(jīng)成為探索奇異量子現(xiàn)象的一個(gè)重要平臺(tái)。特別是最近十年以來，隨著石墨烯等二維原子晶體材料的發(fā)現(xiàn)，二維電子系統(tǒng)已經(jīng)成為目前凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)重要方向。在眾多低維電子系統(tǒng)中，超薄金屬薄膜已經(jīng)有超過三十年的研究歷史，因制備過程可控，利用分子束外延技術(shù)，能夠制備出具有原子尺度平整的樣品，受到了廣泛的關(guān)注，是一個(gè)研究低維系統(tǒng)量子尺寸效應(yīng)的一個(gè)重要平臺(tái)。
　　最近，借助掃描隧道顯微鏡

2、技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠通過制備表面分子超晶格來調(diào)控金屬表面態(tài)，從而改變二維電子系統(tǒng)的色散關(guān)系，制備出人工 Dirac費(fèi)米子。和金屬表面態(tài)類似，超薄金屬薄膜中的量子阱態(tài)也是一類二維電子系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)上也可同樣的構(gòu)建原子（或分子）表面超晶格。那么是否可以用表面超晶格來調(diào)控量子阱態(tài)？如果可行，由于量子阱態(tài)是金屬薄膜中的唯一電子態(tài)，我們就可以用這樣的技術(shù)手段來調(diào)控超薄金屬薄膜的超導(dǎo)能隙，功函數(shù)等重要性質(zhì)，這將是一個(gè)非常有用的量子調(diào)控技術(shù)。
　　

3、本文通過利用基于密度泛函理論的第一性原理的方法，借助于材料模擬軟件VASP軟件包，以 Pb(鉛)金屬薄膜和表面吸附的氧原子為例，系統(tǒng)研究了表面原子超晶格對于金屬薄膜中量子阱態(tài)的調(diào)控，特別關(guān)注了其對薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響。
　　我們首先詳細(xì)計(jì)算了超薄Pb(111）金屬薄膜（2層-10層）內(nèi)的電子態(tài)（即量子阱態(tài)），發(fā)現(xiàn)由于受到量子尺寸效應(yīng)的影響，Pb金屬薄膜內(nèi)電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，薄膜的費(fèi)米能級處的態(tài)密度（DOS）、晶體結(jié)構(gòu)、表面能和功函

4、數(shù)等物理性質(zhì)都表現(xiàn)出以兩個(gè)原子層為周期的奇偶震蕩的現(xiàn)象。我們的計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)論完全符合，表明我們的計(jì)算手段和參數(shù)是正確有效的。
　　在此基礎(chǔ)之上，我們選取了兩種氧原子超晶格構(gòu)型（六角格子和周期原子線），研究了氧原子超晶格對薄膜中量子阱態(tài)性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)薄膜厚度不超過10層時(shí)，氧原子超晶格能夠?qū)b薄膜的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、及其它物理性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響。我們分別詳細(xì)分析了厚度為2層和7層的Pb薄膜中調(diào)控電子態(tài)的物理機(jī)制

5、。我們認(rèn)為2層Pb薄膜由于只有一條子帶，六角格子時(shí)的情況類似于金屬表面態(tài)，可以用近自由電子模型描述；原子線超晶格是通過改變原子位移來改變費(fèi)米能級處的態(tài)密度；而7層薄膜的情況非常復(fù)雜，目前沒有簡單模型可以描述，只能依靠數(shù)值模擬。同時(shí)，通過研究金屬薄膜費(fèi)米面附近的態(tài)密度的改變，我們研究了氧原子超晶格對Pb薄膜超導(dǎo)材料的超導(dǎo)能隙的影響，發(fā)現(xiàn)如果只考慮費(fèi)米面態(tài)密度的變化，超導(dǎo)能隙能夠被很好的調(diào)控。在2層的情況下，超導(dǎo)能隙可以被放大接近5倍。這個(gè)