發(fā)布時間：2016-10-25 07:06

第一章掃描隧道顯微鏡實驗原理和實驗方法

超高真空系統(tǒng)由真空腔體、各種真空累化及真空檢測器件組成,主要作用是用于產(chǎn)生、檢測并維持超高真空的實驗環(huán)境。而真空的腔體主要分為進樣腔、制樣腔和交換腔,它們之間用超商真空間板閥相連。進樣腔連接著以旋轉(zhuǎn)機械系為前級的旋葉分子累,機械泉和分子累依靠機械方式抽取氣體。而制樣腔和交換腔都連接有鐵離子吸附累,鐵離子泉依靠高壓將氣體離子帶到紋板電極掩埋而獲得高真空,離子量的抽氣速率不高,不能工作在真空較低的環(huán)境,是維持超高真空條件的主要設(shè)備。而離子累都附有鐵升華粟,可以在短時間內(nèi)升華出錠蒸氣,利用錢的活性吸附氣體,是提高真空的輔助手段。此外,每個真空腔都裝有真空電離規(guī)管,用從測量各個腔的真空程度。要獲得超高真空的實驗條件,除了使用各種累之外,還需要有一個烘烤的過程。在第一次儀器安裝完成或者以后每次讓腔體回復(fù)大氣條件的檢修之后,都要進行烘烤,才能使系統(tǒng)達到超高真空。在真空腹連接安裝完畢之后,利用機械索和分子粟組抽空腔中氣體,同時加熱烘烤整個真空系統(tǒng)的腔體至150左右,待真空達到量級或更好的氣壓后,停止烘烤并轉(zhuǎn)用離子泉一鐵升華泉聯(lián)用,使腔內(nèi)達到超高真空。而把腔體分為三級式的結(jié)構(gòu),是為了方便往真空放入或從中取出樣品或針尖。王個腔體可隔離的結(jié)構(gòu)可以用中間的制樣腔進行過渡連接。短時間的連通進樣腔和制樣臟,會對制樣腔的超高真空產(chǎn)生短時影響,但是能夠慢慢恢復(fù)到超高真空,這時候間板閥的隔離使得STM工作的交換腔不受影響。

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第二章Bi材料的基本性質(zhì)和Bi(lll)超薄薄膜的制備

2.1Bi材料的基本性質(zhì)

優(yōu)化過的緊束縛模型,可很好的解釋德.哈斯-范.阿爾芬實驗所觀察的Bi費米面結(jié)構(gòu)。根據(jù)該能帶結(jié)構(gòu)計算的電子能量態(tài)密度(圖12C)在費米能附近有很大的下降,這也與Bi的半金屬的性質(zhì)吻合。圖2.2b展示出Bi菱方單胞在倒易空間中第一布里淵區(qū)。圖中還示意性地標出Bi體能帶費米面在兩個T點和六個r點分別形成很小的holepockets和electronpockets。然而,Bi是重元素,其外層電子有很強的自旋-軌道稱合(SOC)相互作用(Bi的6p電子的P3/2-P1/2分裂能可達1.5eV。在考慮了SOC作用后,Gonze等利用第一性原理計算的Bi體材料r-T方向的能帶結(jié)構(gòu),在圖2.2a中以紅線標出。旋軌鍋合相互作用可能使得不同自旋的能帶分裂,但是晶體中由于晶體結(jié)構(gòu)的鏡面對稱性,Bi體能態(tài)并未出現(xiàn)分發(fā)。然而,在晶體表面,晶體結(jié)構(gòu)的對稱性將被打破,旋軌鍋合作用將導(dǎo)致表面能態(tài)的分裂,使得Bi薄膜、納米線等低維材料展現(xiàn)出與體材料完全不同的性質(zhì)。

2.2Bi(lll)薄膜的制備

薄膜的生長過程如圖2.1所示。在室溫下,Bi剛開始在Si表面沉積的時候,會形成無規(guī)則的浸潤層,而適當?shù)耐嘶鹂梢宰専o規(guī)則的浸澗層轉(zhuǎn)化規(guī)則結(jié)構(gòu)的重構(gòu)吸附表面。無論從浸潤層或者吸附重構(gòu)表面開始,都要進過一定層數(shù)的過渡,薄膜才呈現(xiàn)Bi(lll)的表面。而從重構(gòu)層開始外延生長薄膜,需要比技多層的過渡才能最終呈現(xiàn)Bi(lll)表面,所我們采用較簡單的從浸潤層開始生長。由于不需要退火形成吸附重構(gòu)表面,直接可以從干凈的重構(gòu)表面開始,連續(xù)蒸發(fā)沉積Bi原子,生長過程也比較簡單。浸澗層的存在,使得Bi薄膜和Si襯底之間的相互作用很弱,使得Bi薄膜更像是空間自由(freestanding)的薄膜。

第三章Bi(lll)超薄薄膜表面態(tài)朗道量子化的STM研究.......43

3.1研究背景.......43
3.2強磁場下Bi((lll)薄膜表面的朗道量子化STS.......55
3.3對實驗結(jié)果的討論72
第四章Bi(lll)超薄薄膜表面準粒子干涉的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實驗結(jié)果和分析.......104
5.3小結(jié)與展望.......114

第四章Bi(lll)超薄薄膜表面準粒子干涉的STM研究

4.1研究背景

電子是具有波粒二象性的微觀粒子,擁有一般波都具有的衍射、干涉等性質(zhì)。在量子力學(xué)中利用波函數(shù)去描述電子的波動性,表示電子在不同時間、不同空間出現(xiàn)的概率。實際電子在晶體中的運動會受到原子和其他電子的作用,直接計算其運動狀態(tài)將會變成難解的多體問題。在凝聚態(tài)物理學(xué)中,引入了"準粒子"的概念,將運動中受到來自原子核及其它電子的作用的電子,視作帶有不同質(zhì)量的自由電子,使得問題被大大簡化。在處理晶體中電子的散射、干涉等問題的時候,也可以用準粒子近似晶體中參與干涉的電子,送時候晶體中電子的干涉問題就簡化成為了準粒子干涉(QPI)的問題。電子在均勻干凈的晶體肉部或者表面運動,相當于電子的概率波在連續(xù)均勻的介質(zhì)中傳播,不同區(qū)域電子出現(xiàn)的概率經(jīng)過時間平均后是一致的,因此電子態(tài)密度的空間分布也是均勻的。但是在有雜質(zhì)、缺陷或者遠界存在的情況下,電子的概率波就會被散射,散射之后的電子概率波會干涉形成駐波。込時候電子在不同空間位出現(xiàn)概率會有高低之分,使得電子態(tài)密度的空間分布也出現(xiàn)巧應(yīng)的起伏。第一章中介紹過,將STM成像技術(shù)和STS技術(shù)結(jié)合在一起,就可臥獲得樣品表面電子局域態(tài)密度的空間分布圖像。因此,利用STM很容易就可通過探測樣品表面電子局域態(tài)密度的空間分布來研究表面準粒子干涉。

4.2Bi(lll)表面吸附缺陷的散射干涉

擁有手性自旋結(jié)構(gòu)表面態(tài)的各種拓撲絕緣體表面的準粒子干涉己為人們所廣泛研究。在第二章中我們介紹了Bi(lll)表面存在自旋一軌道稱合分裂的表面態(tài),自旋分辨的ARPES己經(jīng)證實其表面態(tài)擁有的手性的自旋結(jié)構(gòu),因此Bi(lll)表面態(tài)的自旋也對其表面上準粒子干涉過程有著很大的影響。本章的工作主要是利用STM研究Bi(lll)烤面態(tài)在點缺陷、臺階邊緣和原子等表面結(jié)構(gòu)附近的準粒子散射干涉行為。本章的STM實驗都是在液氨冷阱溫度(4.2K)下進行。Co原子是在低溫下被蒸發(fā)沉積在Bi(lll)樣品表面的,這里選用的是一般的連續(xù)的Bi(lll)薄膜作為沉積Co原子的襯底。詳細的樣品制備方法和吸附結(jié)構(gòu),以及吸附結(jié)構(gòu)的原子分辨STM圖像會在第五章中洋細的介紹。這里主要是利用吸附Co原子后的缺陷作為表面準粒子散射中也,以此來獲得比較豐富的表面散射駐波。

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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屬表面的吸附,如果磁性原子還保留著磁矩,那么我們可以利用STM和STS從幾個方面去探測其磁性.1、利用STS中非彈性隧穿信號探測與雜質(zhì)自旋態(tài)有關(guān)的激發(fā);2、直接利巧自旋極化的探針探測雜質(zhì)的磁性;3、利用雜質(zhì)自旋與襯底金屬傳導(dǎo)電子自旋相互作用,如Kondo效應(yīng)間接獲得雜質(zhì)的自旋信息。我們實驗中并未探測到吸附的Co原子有任何自旋激發(fā)特征的。我們制備的覆蓋Fe原子層的探針[劉小剛2012],的確能夠區(qū)分Bi(lll)表面不同自旋極化方向的Co。但是在表面吸附磯性納米結(jié)構(gòu)的實驗中,我們制備的自旋極化探針還沒有獲得足夠好的結(jié)果。所以這里只對送兩方面研究背景做簡單的介紹,不再深入討論。但是這些利用STM研究表面吸附結(jié)構(gòu)磁性的辦法,很有可能用于將來進一步的研究中。

5.2實驗結(jié)果和分析

我們的Co金屬蒸發(fā)源被安裝在近鄰低溫STM掃面頭的交換腔,樣品只要從掃面頭中取出就立刻可以傳送到蒸發(fā)沉積的位置。采用Omicron公司的電子束加熱蒸發(fā)源,使用棒狀Co源,利用蒸發(fā)源自身帶有的束流監(jiān)控調(diào)節(jié)Co原子的蒸發(fā)速率。我們采用一般的連續(xù)的Bi(lll)薄膜樣品作為Co原子沉積的襯底。在蒸發(fā)之前, Bi(lll)膊膜樣品己經(jīng)被傳到低溫頭冷卻到4.化的溫度,或者之前就在4.2K的溫度條件下先對干凈的Bi(lll)薄膜樣品進行了一些必要的STM測量實驗。蒸發(fā)源開始預(yù)熱的時候,就將樣品的傳送桿伸長到觸碰到4.2K的樣品。

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參考文獻（略）

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本文編號：152340