本文關鍵詞：量子效應在硅基表面納米結構基態(tài)和相變中作用的理論研究　出處：《鄭州大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：硅表面形成的納米結構展現(xiàn)出許多奇特的物理現(xiàn)象,由于其在多個領域廣泛的應用,近幾十年來吸引了廣大科研人員的研究興趣。研究量子效應包括量子隧穿效應、自旋軌道耦合等對于硅基表面納米結構及其穩(wěn)定性的作用,以及對表面納米結構相變機制的影響,是當今凝聚態(tài)物理、材料物理等交叉學科研究的前沿熱點方向之一。該研究方向不但有重要的基礎科學研究意義,而且在電子學、自旋電子學、量子器件、集成電路等方面有著廣泛的應用前景。本文基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,以幾種典型的硅的重構表面形成的納米結構為原型,分別研究了不同的量子效應在其結構穩(wěn)定性和相變機理中的重要作用。本文的研究內容主要分為四個部分,概括如下:1.當溫度低于20 K時,Si(001)表面非對稱二聚體在掃描隧道顯微鏡(STM)實驗中呈現(xiàn)為對稱的二聚體,其中的物理機制已經(jīng)成為困惑研究人員已久的科學問題。盡管以往一些研究將實驗上觀察到的對稱二聚體圖像歸結為是由STM測量本身人為因素所致,但是其中的微觀機制仍然含糊不清。論文基于第一性原理計算研究發(fā)現(xiàn),對稱二聚體圖像是由于量子隧穿效應驅動非對稱二聚體振動而引起。具體而言,在低溫下電荷局域在表面,通過STM針尖注入的表面空穴降低了非對稱二聚體的振動勢壘,因此引起了可觀的量子隧穿頻率;但是,電子注入情況下,上述振動勢壘并沒有明顯降低。研究結果解釋了低溫下STM實驗在滿態(tài)觀察到對稱二聚體而在空態(tài)觀察到非對稱二聚體的物理根源。2.分別采用考慮和不考慮自旋軌道耦合(SOC)的第一性原理計算方法系統(tǒng)地研究了在Si(111)和Ge(111)襯底上4/3單層(ML)Pb覆蓋度的兩種竟爭相(H_3和T_4)的基態(tài)結構及其微觀相變機理。研究發(fā)現(xiàn),對Pb/Si(111)和Pb/Ge(111)兩個體系,SOC效應都影響這兩種結構的相對穩(wěn)定性。具體而言,在這兩種體系中,不考慮SOC時,T_4結構的能量比H_3結構能量更低,二者能量差ΔE分別為25me V和22 me V。然而考慮SOC作用后,系統(tǒng)的基態(tài)均發(fā)生了翻轉:H_3結構變?yōu)榛鶓B(tài),兩種相之間能量差分別變成-12 me V和-7 me V。深入分析表明,SOC改變基態(tài)的原因是由于H_3結構相比T_4結構具有更加不對稱的表面電荷分布。而電荷分布的不對稱性與px,py,pz軌道的雜化有關,并且導致H_3結構具有相對更大的Rashba劈裂以及更大贗能隙。本論文通過彈性帶(NEB)理論計算得到從H_3到T_4發(fā)生相變的勢壘,對于Pb/Si(111)和Pb/Ge(111)體系分別為0.59和0.27 e V�；谶@些熱力學和動力學特征,該論文提出H_3到T_4這兩種竟爭相不僅在低溫下將會共存,而且在相對高溫時將會發(fā)生有序到無序的相變。3.Sn在Si(111)表面的覆蓋層是在三角晶格上研究二維相關物理現(xiàn)象的典型體系。以往的理論研究得出的結論都基于表面態(tài)主要源于Sn的懸掛鍵這一假設,并將Sn/Si(111)體系視為一個強關聯(lián)的二維電子系統(tǒng)。與之相反,本文通過第一性原理計算研究揭示了Sn的懸掛鍵電子態(tài)和Si襯底的表面態(tài)顯著雜化形成一個共振態(tài):Sn原子5p軌道和Si原子的3p軌道之間的強烈雜化使體系通過超交換相互作用產生了反鐵磁序基態(tài),并打開了一個能隙,理論研究結果和近期實驗吻合。因此將Sn/Si(111)體系的絕緣體基態(tài)歸納為具有能帶磁性的Slater類型的絕緣體。4.采用基于密度泛函理論的最新第一性原理計算方法,檢驗了單個Cu原子以及Cu的幻數(shù)團簇在Si(111)-7×7表面的能量和動力學特征。首先,通過描繪出Cu原子在Si(111)-7×7表面的勢能面,確認了Cu原子在該表面擴散路徑以及高擴散速率。該結果支持以往的實驗推測,即三角形亮斑源于單個Cu原子在表面相鄰吸附位置的頻繁跳躍。此外,研究發(fā)現(xiàn)在0.15 ML的覆蓋度下,以往實驗上所假設的六圓環(huán)狀結構的Cu6結構相當不穩(wěn)定,而最穩(wěn)定的Cu6結構的STM模擬和實驗上不匹配。研究排除了6個原子的團簇基態(tài),找到了該覆蓋度下能量最為穩(wěn)定的實心的Cu7結構,并且發(fā)現(xiàn)Cu7結構的STM模擬和實驗圖案保持高度一致。研究結果明確地排除了用于解釋實驗現(xiàn)象的6原子團簇模型,并且對Cu原子在Si(111)-7×7表面的納米結構的基態(tài)提出了新的理解。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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