本文關(guān)鍵詞：量子效應(yīng)在硅基表面納米結(jié)構(gòu)基態(tài)和相變中作用的理論研究　出處：《鄭州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 第一性原理計(jì)算 量子隧穿 自旋軌道耦合 基態(tài) 相變

【摘要】：硅表面形成的納米結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出許多奇特的物理現(xiàn)象,由于其在多個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)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(yīng)包括量子隧穿效應(yīng)、自旋軌道耦合等對于硅基表面納米結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的作用,以及對表面納米結(jié)構(gòu)相變機(jī)制的影響,是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、材料物理等交叉學(xué)科研究的前沿?zé)狳c(diǎn)方向之一。該研究方向不但有重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究意義,而且在電子學(xué)、自旋電子學(xué)、量子器件、集成電路等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。本文基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,以幾種典型的硅的重構(gòu)表面形成的納米結(jié)構(gòu)為原型,分別研究了不同的量子效應(yīng)在其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和相變機(jī)理中的重要作用。本文的研究內(nèi)容主要分為四個部分,概括如下:1.當(dāng)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(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)為對稱的二聚體,其中的物理機(jī)制已經(jīng)成為困惑研究人員已久的科學(xué)問題。盡管以往一些研究將實(shí)驗(yàn)上觀察到的對稱二聚體圖像歸結(jié)為是由STM測量本身人為因素所致,但是其中的微觀機(jī)制仍然含糊不清。論文基于第一性原理計(jì)算研究發(fā)現(xiàn),對稱二聚體圖像是由于量子隧穿效應(yīng)驅(qū)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(jié)果解釋了低溫下STM實(shí)驗(yàn)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(jì)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?fàn)幭?H_3和T_4)的基態(tài)結(jié)構(gòu)及其微觀相變機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),對Pb/Si(111)和Pb/Ge(111)兩個體系,SOC效應(yīng)都影響這兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的能量比H_3結(jié)構(gòu)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(zhuǎn):H_3結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相比T_4結(jié)構(gòu)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(guān),并且導(dǎo)致H_3結(jié)構(gòu)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(jì)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(xué)和動力學(xué)特征,該論文提出H_3到T_4這兩種竟?fàn)幭嗖粌H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(guān)物理現(xiàn)象的典型體系。以往的理論研究得出的結(jié)論都基于表面態(tài)主要源于Sn的懸掛鍵這一假設(shè),并將Sn/Si(111)體系視為一個強(qiáng)關(guān)聯(lián)的二維電子系統(tǒng)。與之相反,本文通過第一性原理計(jì)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(qiáng)烈雜化使體系通過超交換相互作用產(chǎn)生了反鐵磁序基態(tài),并打開了一個能隙,理論研究結(jié)果和近期實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法,檢驗(yàn)了單個Cu原子以及Cu的幻數(shù)團(tuán)簇在Si(111)-7×7表面的能量和動力學(xué)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(rèn)了Cu原子在該表面擴(kuò)散路徑以及高擴(kuò)散速率。該結(jié)果支持以往的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上所假設(shè)的六圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)的Cu6結(jié)構(gòu)相當(dāng)不穩(wěn)定,而最穩(wěn)定的Cu6結(jié)構(gòu)的STM模擬和實(shí)驗(yàn)上不匹配。研究排除了6個原子的團(tuán)簇基態(tài),找到了該覆蓋度下能量最為穩(wěn)定的實(shí)心的Cu7結(jié)構(gòu),并且發(fā)現(xiàn)Cu7結(jié)構(gòu)的STM模擬和實(shí)驗(yàn)圖案保持高度一致。研究結(jié)果明確地排除了用于解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的6原子團(tuán)簇模型,并且對Cu原子在Si(111)-7×7表面的納米結(jié)構(gòu)的基態(tài)提出了新的理解。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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本文編號：1336256