Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Dao động lượng tử trong hệ thống cấu trúc dị thể Pb/Si (111)
Tóm tắt
Bài báo này tóm tắt công việc gần đây của chúng tôi về nghiên cứu hiệu ứng kích thước lượng tử (QSE) và các tính chất vật lý mới của cấu trúc dị thể Pb/Si (111). Hai loại mẫu khác nhau đã được điều tra. Một là đảo Pb hình nêm, và loại còn lại là phim mỏng Pb phẳng ở mức nguyên tử. Với việc thao tác bằng kính hiển vi quét tunneling (STM), chúng tôi đã quan sát được sự động học hình thái thú vị của các hòn đảo chuyển động giữa hai trạng thái năng lượng cực trị, giống như trong một con lắc cổ điển. Chúng tôi chỉ ra rằng sự động học này là kết quả của sự cạnh tranh giữa QSE và hiệu ứng giảm thiểu năng lượng tự do lớp cổ điển. Đối với loại mẫu thứ hai, QSE được nghiên cứu theo tính ổn định của phim phụ thuộc vào độ dày, cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý bằng cách sử dụng STM, quang phổ phát xạ photon theo góc (ARPES) và đo lường vận chuyển. Kết quả nhất quán tiết lộ sự hình thành của các trạng thái giếng lượng tử (QWS) do sự giới hạn electron trong các phim. Hiệu ứng kích thước này có thể làm biến đổi đáng kể cấu trúc điện tử gần mức Fermi và dẫn đến các dao động lượng tử trong siêu dẫn, sự tương tác electron-phonon và sự giãn nở nhiệt. Công trình này rõ ràng chứng minh khả năng kỹ thuật lượng tử các tính chất vật lý của phim mỏng bằng cách khai thác QSE phụ thuộc vào độ dày và được kiểm soát tốt.
Từ khóa
#hiệu ứng kích thước lượng tử #cấu trúc dị thể Pb/Si (111) #động học hình thái #trạng thái giếng lượng tử #siêu dẫnTài liệu tham khảo
Paggel J.-J., Miller T., and Chiang T.-C., Quantum-well states as Fabry-Pérot modes in a thin-film electron interferometer, Science., 1999, 283: 1709–1711
Chiang T.-C., Photoemission studies of quantum well states in thin films, Surf. Sci. Rep., 2000, 39: 181–235
Milum M., Pervan P., and Woodruff D.-P., Quantum well structures in thin metal films: simple model physics in reality, Rep. Prog. Phys., 2002, 65: 99–141
Altfeder I.-B., Matveev K.-A., and Chen D.-M., Electron fringes on a quantum Wedge, Phys. Rev. Lett., 1997, 78: 2815–2818
Su W.-B., Chang S.-H., Jian W.-B., Chang C.-S., Chen L.-J., and Tsong T.-T., Correlation between quantized electronic states and oscillatory thickness relaxations of 2D Pb islands on Si (111)-(7×7) Surfaces, Phys. Rev. Lett., 2001, 86: 5116–5119
Yeh V., Berbil-Bautista L., Wang C.-Z., Ho K.-M., and Tringides M. C., Role of the metal/semiconductor interface in quantum size effects: Pb/Si(111), Phys. Rev. Lett., 2000, 85: 5158–5161
Hupalo M. and Tringides M.-C., Correlation between height selection and electronic structure of the uniform height Pb/Si (111) islands, Phys. Rev. B., 2002, 65: 115406 (1–4)
Budde K., Abram E., Yeh V., and Tringides M.-C., Uniform, self-organized, seven-step height Pb/Si(111)-(7×7) islands at low temperatures, Phys. Rev. B., 2000, 61: R10602–R10605
Czoschke P., Hong Hawoong, Basile L., and Chiang T.-C., Quantum oscillations in the layer structure of thin metal films, Phys. Rev. Lett., 2003, 91: 226801(1–4)
Upton M.-H., Wei C.-M., Chou M.-Y., Miller T., and Chiang T.-C., Thermal stability and electronic structure of atomically uniform Pb films on Si(111), Phys. Rev. Lett., 2004, 93: 026802 (1–4)
Mans A., Dil J.-H., Ettema A. R. H. F., and Weitering H.-H., Quan-Quantum electronic stability and spectroscopy of ultrathin Pb films on Si(111)7×7, Phys. Rev. B., 2002, 66: 195410 (1–7)
Jalîochowski M. and Bauer E., Resistance oscillations and crossover in ultrathin gold films, Phys. Rev. B., 1988, 37: 8622–8626
Jalochowski M., Hoffman M., and Bauer E., Quantized hall effect in ultrathin metallic films, Phys. Rev. Lett., 1996, 76: 4227–4229
Walz J., Greuer A., Wedler G., Hesjedal T., Chilla E., and Koch R., Stress and relief of misfit strain of Ge/Si (111), Appl. Phys. Lett., 1998, 73: 2579–2581
Grossmann A., Erley W., Hannon J.-B., and Ibach H., Giant surface stress in heteroepitaxial films: invalidation of a classical rule in epitaxy, Phys. Rev. Lett., 1996, 77: 127–130
Li J.-L., Jia J.-F., Liang X.-J, Liu X., Wang J.-Z., Xue Q.-K., Li Z.-Q., Tse J.-S., Zhang Z., and Zhang S.-B., Spontaneous assembly of perfectly ordered identical-size nanocluster arrays, Phys. Rev. Lett., 2002, 88: 066101(1–4)
Okamoto H., Chen D.-M., and Yamada T., Competing classical and quantum effects in shape relaxation of a metallic island, Phys. Rev. Lett., 2002, 89: 256101(1–4)
Jiang C.-S., Li, S.-C., Yu H.-B., Eom D., Wang X.-D., Ebert Ph., Jia J.-F., Xue Q.-K., and Shih C.-K., Building Pb nanomesas with atomic-layer-precision, Phys. Rev. Lett., 2004, 92: 106104 (1–4)
Li S.-C., Jia J.-F., Zhang Y.-F., Liu F., and Xue Q.-K, Phys. Rev. B (submitted)
Smith Arthur R., Chao K.-J., Niu Q., and Shih C.-K, Formation of atomically flat silver films on GaAs with a “silver mean” quasi periodicity, Science., 1996, 273: 226–228
Huang L., Chey S.-J., and Weaver J.-H., Metastable structures and critical thicknesses: Ag on Si(111)-7×7, Surf. Sci., 1998, 416: L1101–L1106
Gavioli L., Kimberlin K.-R., Tringides M.-C., Wendelken J.-F., and Zhang Z.-Y., Novel growth of Ag islands on Si(111): plateaus with a singular height, Phys. Rev. Lett., 1999, 82: 129–132
Jiang C.-S., Yu H.-B, Shih C.-K., and Ebert Ph., Effect of the Si substrate structure on the growth of two-dimensional thin Ag films, Surf. Sci., 2002, 518: 63–71
Liu H., Zhang Y.-F., Wang D.-Y., Pan M.-H., Jia J.-F., and Xue Q.-K., Two-dimensional growth of Al films on Si(111)-7×7 at low-temperature, Surf. Sci., 2004, 571: 5–11
Zhang Z.-Y, Quantum stability of ultrathin metal overlayers on semiconductor substrates, Surf. Sci., 2004, 571: 1–4
Zhang Z.-Y., Niu Q., and Shih C.-K., “Electronic growth” of metallic overlayers on semiconductor substrates, Phys. Rev. Lett., 1998, 80: 5381–5384
Hong Hawoong., Wei C.-M., Chou M.-Y., Wu Z., Basile L., Chen H., Holt M., and Chiang T.-C., Alternating layer and island growth of Pb on Si by spontaneous quantum phase separation, Phys. Rev. lett., 2003, 90: 076104(1–4)
Zhang Y.-F., Jia J.-F, Han T.-Z, Tang Z., Ma X.-C, and Xue Q.-K, Growth, stability and morphology evolution of Pb films on Si(111) prepared at low temperature, Surf. Sci., 2005, 596: L331–L338
Anderson J.-R., and Gould A.-V., Fermi Surface, pseudopotential coefficients, and spin-orbit coupling in lead, Phys. Rev., 1965, 139: A1459–A1481
Jalochowski M., Knoppe H., Lilienkamp G., and Bauer E., Photoemission from ultrathin metallic films: quantum size effect, electron scattering, and film structure, Phys. Rev. B., 1992, 46: 4693–4701
Wei C.-M. and Chou M.-Y., Theory of quantum size effects in thin Pb(111) films, Phys. Rev. B., 2002, 66: 233408(1–4)
Guo Y., Zhang Y.-F., Bao X.-Y., Han T.-Z, Tang Z., Zhang L.-X., Zhu W.-G., Wang E.-G., Niu Q., Qiu Z.-Q., Jia J.-F., Zhao Z.-X., and Xue Q.-K., Superconductivity modulated by quantum size effects, Science, 2004, 306: 1915–1917
Boettger J.-C., Smith J.-R., Birkenheuer U., Rosch N., Trickey S.-B., Sabin J.-R., and Apell S.-P., Extracting convergent surface formation energies from. slab calculations, J. Phys: Condens. Matter., 1998, 10: 893–894
Czoschke P., Hong Hawoong., Basile L., and Chiang T.-C., Quantum beating patterns observed in the energetic of Pb film nanostructures, Phys. Rev. Lett., 2004, 93: 036103 (1–4)
Zhang Y.-F., Jia J.-F., Han T.-Z., Tang Z., Shen Q.-T, Guo Y., and Xue Q.-K., Band structure and oscillatory electron-phonon coupling of Pb thin films determined by atomic-layer-resolved quantum well states, Phys. Rev. Lett., 2005, 95: 096802 (1–4)
Zhu W. G. et al. (unpublished data)
Blatt J.-M. and Thompson C.-J., Shape resonances in superconducting thin films, Phys. Rev. Lett., 1963, 10: 332–334
Haviland D.-B., Liu Y., and Goldman A.-M., Onset of superconductivity in the two-dimensional limit, Phys. Rev. Lett., 1989, 62: 2180–2183
Jaeger H.-M., Haviland D.-B., Orr B.-G., and Goldman A.-M., Onset of superconductivity in ultrathin granular metal films, Phys. Rev. B., 1989, 40: 182–196
Orr B.-G., Jaeger H.-M., and Goldman A.-M., Transition-temperature oscillations in thin superconducting films, Phys. Rev. Lett., 1984, 53: 2046–2049
Paskin A. and Strongin M., Comment on “transition-temperature oscillations in thin superconducting films”, Phys. Rev. Lett., 1985, 55: 139
Frydman A., The superconductor insulator transition in systems of ultrasmall grains, Physica C., 2003, 391: 189–195
Bardeen J., Cooper L.-N., and Schrieffer J.-R., Theory of superconductivity, Phys. Rev., 1957, 108: 1175–1204
Sadovskii M.-V., Superconductivity and localization (World Scientific Publishing, Singapore), 2000, 128
Allen B. and Dynes R.-C., Transition temperature of strong-coupled superconductors reanalyzed, Phys. Rev. B., 1975, 12: 905–922
Crottini A., Cvetko D., Floreano L., Gotter R., Morgante A., and Tommasini F., Step height oscillations during layer-by-layer growth of Pb on Ge(001), Phys. Rev. Lett., 1997, 79: 1527–1530
McDougall B.-A., Balasubramanian T., and Jensen E., Phonon contribution to quasiparticle lifetimes in Cu measured by angle-resolved photoemission, Phys. Rev. B., 1995, 51: 13891–13894
Balasubramanian T., Jensen E., Wu X.-L., and Hulbert S.-L., Large value of the electron-phonon coupling parameter (λ=1.15) and the possibility of surface superconductivity at the Be(0001) surface, Phys. Rev. B., 1998, 57: R6866–R6869
Hofmann P., Cai Y.-Q., Grütter C., and Bilgram J.-H., Electron-lattice interaction on α-Ga(010), Phys. Rev. Lett., 1998, 81: 1670–1673
Takahashi K., Tanaka A., Sasaki H., Gondo W., Suzuki S., and Sato S., Temperature-dependent angle-resolved photoemission study for quantum-well states in Ag nanofilms, Phys. Rev. B., 1999, 60: 8748–8752
Rotenberg E., Schaefer J., and Kevan S.-D., Coupling between adsorbate vibrations and an electronic surface state, Phys. Rev. Lett., 2000, 84: 2925–2928
Kralj M., Siber A., Pervan P., Milun M., Valla T., Jonson P.-D., and Woodruff D.-P., Temperature dependence of photoemission from quantum-well states in moving surface vacuum barrier effects Ag/V(100), Phys. Rev B., 2001, 64: 085411 (1–9)
Luh D.-A., Miller T., Paggel J.-J., and Chiang T.-C., Large electron-phonon coupling at an interface, Phys. Rev. Lett., 2002, 88: 256802(1–4)
Zhang Y.-F, Jia J.-F., Han T.-Z, Tang Z., Shen Q.-T, Guo Y., and Xue Q.-K., Oscillatory electron-phonon coupling in Pb/Si(111) deduced by temperature-dependent quantum well states, Chin. Phys., 2005, 14: 1910–1914
Carbotte J.-P., Properties of boson-exchange superconductors, Rev. Mod. Phys., 1990, 62: 1027–1157
Paggel J.-J., Miller T., and Chiang T.-C., Temperature dependent complex band structure and electron-phonon coupling in Ag, Phys. Rev. Lett., 1999, 83: 1415–1418
Paniago R., Matzdorf R., Meister G., and Goldmann A., Temperature dependence of Shockley-type surface energy bands on Cu(111), Ag(111) and Au(111), Surf. Sci., 1995, 336: 113–122
Hinch B.-J., Koziol C., Toennies J.-P., and Zhang G., Europhys. Lett., 1989, 10: 341–346
Hinch B.-J., Koziol C., Toennies J.-P., and Zhang G., Single and double layer growth mechanisms induced by quantum size effects in Pb films deposited on Cu(111), Vacuum., 1991, 42: 309–311
Zhang Y.-F., Jia J.-F., Tang Z., Han T.-Z., Shen Q.-T., Guo Y., Ma X.-C., Xue Q.-K, Kun X., and Wu S.-C., Thermal expansion enhancement and oscillation of Pb thin films modulated by quantum size effects, Phys. Rev. B (submitted)
Bao X.-Y., Zhang Y.-F., Wang Y.-P, Jia J.-F., Xue Q.-K., Xie X.-C., and Zhao Z.-X., Quantum size effects on the perpendicular upper critical field in ultrathin lead films, Phys. Rev. Lett., 2005, 95: 247005 (1–4)
Ma X.-C, Jiang P., et al., Direct observation of quantum oscillation of surface chemical activities, Phys. Rev. Lett., 2006 (submitted)
Han T.-Z., Jia J.-F., et al. (unpublished data)