Bi(111)超薄薄膜表面態(tài)的掃描隧道顯微術研究.pdf

1、金屬鉍(Bi)的體材料和表面擁有很多奇特的電子結構和輸運性質。由于Bi體材料獨特的電子性質，很早以前人們就在Bi單晶中發(fā)現了磁振蕩現象。這些磁振蕩現象和Bi體材料的朗道量子化有關。因為Bi體材料的費米面在動量空間只占有很小的體積，并且表現出高度的各向異性。在沿著三次軸方向也就是(111)方向施加約9T的外磁場下，很容易就達到Bi體材料的量子極限(quantum limit)，即在輸運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象，如所謂的Bi體材料的分數量子化、能谷極化(valley polarization)、強場下的狄拉克電子相變等，但這些現象的物理機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)的朗道量子化現象還沒有實驗觀測。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出來，而引起分析中的困難，甚至引起對

3、Bi體材料物理機理的認識偏差。
　　單晶Bi是菱方結構的，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構，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)由于很強的自旋軌道耦合作用而產生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)直接跨越費米能級，使得Bi(111)表面呈現金屬性。輸運測量就發(fā)現表面態(tài)對Bi(111)薄膜的電導有很大的貢

4、獻。其次，Rashba自旋分裂使得Bi(111)表面態(tài)呈現渦旋狀的自旋結構，也被角分辨光電子能譜（ARPES）實驗所證實。因為Bi(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)擁有獨特的電子結構和自旋結構，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的工作原理和結構。然后，介紹我們實驗所用的極低溫、強磁場、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驗條件的技術和實驗方法。
　　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，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算的結果很好地解釋了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。在強磁場下，STS譜出現能量分立的峰。這些分立峰會隨著磁場的增加而變化，呈現出朗道能級的特征。利用類比于傳統(tǒng)磁阻振蕩實驗的分析方法再結合第一性原理計算，我們推斷所觀察到的強磁場下STS譜中出現的

7、分立峰是Bi(111)二維表面態(tài)朗道量子化的結果。
　　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。這些駐波其實是材料中準粒子的干涉波，因此也被稱為準粒子干涉。利用第一性原理計算得到的表面態(tài)能帶結構加上手性的自旋結構，我們得到了較好的對駐波傅里葉變換圖樣的模擬結果。實驗證明Bi(111)表面態(tài)具有渦旋狀自旋結構。
　　第五章，研究Co原子在Bi(111)薄膜表面的吸附。利用STM圖像和理論計算，我們確定