论文题目: Si（111）衬底上Pb薄膜的低温生长、电子结构和量子效应研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 凝聚态物理
作者: 张艳锋
导师: 薛其坤,贾金锋
关键词: 薄膜,量子阱态,角分辨光电子能谱,扫描隧道显微镜,相位积累模型,超导电性,热膨胀系数,电声子耦合强度
文献来源: 中国科学院研究生院（物理研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 当薄膜厚度和电子费米波长相比拟时,在垂直于薄膜方向上电子的受限运动将导致分立的量子化能级即量子阱态的形成。量子阱态的形成会导致费米面附近电子态密度的重新分布,显著地影响薄膜材料的物理和化学性质。半导体或绝缘体衬底上外延的金属薄膜材料是一个理想的一维方势阱的体系。在这种体系中,电子运动被半导体能隙和真空势垒限制在金属薄膜对应的势阱中,形成量子阱态。由于金属电子的费米波长很短(一个纳米左右),要观察到显著的量子效应,必须要克服两个难点:既要制备出具有原子级平整度的薄膜,又要对其电子结构进行精确表征。在本论文的工作中,我们研究了Si(111)衬底上具有原子级平整度的Pb薄膜的分子束外延制备,利用反射式高能电子衍射(RHEED)、角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)等系统研究了薄膜的生长模式、电子结构以及量子效应调制的材料物性的变化。主要内容分四部分:(1)采用低温生长的方法(衬底温度145K),通过对生长条件的优化,我们在Si(111)衬底上制备出了具有原子级平整度的Pb薄膜,用STM和ARPES确定了其特殊的生长模式:室温下成膜的临界厚度是10ML,随后是一种双层生长模式,覆盖度高于21ML时,薄膜生长基本上是层状生长的模式。而且,每隔9ML,薄膜的稳定性发生从偶数层(奇数层)到奇数层(偶数层)的转变,转变点分别是13ML、22ML和31ML。(2)采用高分辨ARPES,确定了Pb薄膜(10ML～32ML)的电子结构(量子阱态),观察到了量子阱态的结合能相对于费米能级以2ML为周期的振荡现象。根据相位积累模型,在近自由电子近似的条件下,我们对实验数据进行了拟和,从实验上确定了Pb的能带结构。对不同厚度Pb薄膜表面能的计算表明,表面能变化是一种9ML大周期叠加在2ML小周期之上的振荡模式,这个结果成功地解释了Pb薄膜的特殊生长模式。(3)在对Pb薄膜的形貌和电子结构进行精确表征的基础上,我们进一步研究了具有原子级平整度Pb薄膜的超导性质,观察到了超导转变温度随薄膜厚度和薄膜中量子化能级的振荡关系。量子效应引起的薄膜超导电性随厚度的振荡现象在上个世纪六十年代就已经从理论上得到预言,我们的结果首次给出了确定
论文目录:
第一章 引言
1.1 薄膜中量子效应的研究
1.2 量子阱态理论模型的发展
1.2.1 particle-in-a-box模型
1.2.2 凝胶模型(Jellium)
1.2.3 相位积累模型
1.2.4 法布里-珀罗电子干涉模型
1.3 金属薄膜中量子阱态的具体实例:Ag/Au(111)
1.3.1 受限的能隙:相对能隙
1.3.2 近自由电子近似两带模型的拟合
1.4 薄膜生长
1.4.1 三种生长模式
1.4.2 反常的层状生长模式的实现
1.4.3 电子生长模型
参考文献
第二章 实验仪器和实验原理
2.1 分子束外延技术(MBE)
2.2 扫描隧道显微镜技术(STM)
2.2.1 基本的隧穿理论
2.2.2 实验装置和工作模式
2.3 光电子谱技术(PES)
参考文献
第三章 Pb薄膜的低温生长、电子结构以及量子效应导致的奇异超导性质
3.1 Pb薄膜中量子效应的研究背景
3.2 Pb薄膜的特殊生长模式
3.2.1 实验
3.2.2 实验结果以及分析
3.3 Pb薄膜的电子结构(量子阱态)以及能带结构的确定
3.3.1 量子受限的形成(受限的能隙)
3.3.2 能带结构的确定
3.3.3 Pb薄膜表面能的定性计算
3.4 量子效应导致的Pb薄膜超导温度的振荡
3.4.1 实验部分
3.4.2 结果和分析
3.5 总结
参考文献
第四章 Pb薄膜的变温光电子能谱研究
4.1 Pb薄膜热膨胀系数的量子振荡
4.1.1 背景介绍
4.1.2 实验部分
4.1.3 结果和分析
4.2 Pb薄膜电声子耦合强度的量子振荡
4.2.1 背景介绍
4.2.2 结果和分析
4.3 总结
参考文献
第五章 结论
攻读博士学位期间发表论文情况
致谢
发布时间: 2006-11-22
参考文献
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