表面低维结构的电子态调控
编者按：
材料的表面与界面是各种物理化学过程发生的载体。表面科学正是以表面界面为研究平台，借助原子分子尺度上的精密观测，建立对这些物理化学过程微观机理的理解，从而给出有效的人工调控方法。同时，材料表面与界面上形成的低维电子体系显现出丰富的量子现象，直接构成功能电子器件的结构单元。基于传统半导体界面能带结构的设计，人们实现了对电荷自由度的控制，导致电子工业的繁荣发展。就基础研究而言，今天的表面科学仍然充满了挑战与机会。首先是表面低维结构制备的精确控制问题，这是微电子器件进一步小型化和集成化的基本支撑。其次是在表面界面上，对称性破缺、维度降低和空间限域效应诱导新奇物理现象的机理问题，这是新概念电子器件研发的理论基础。而从技术层面而言，发展低维结构的可靠制备及其高分辨率观测方法，也仍然是表面科学的重要任务。
本刊特组织"表面低维结构的电子态调控"专题，从单个功能分子、有机半导体薄膜、二维原子晶体、拓扑绝缘体和复杂过渡金属氧化物薄膜的制备及其电子态与集体激发行为的调控等方面，介绍该领域的发展现状和最新的研究成果。我们相信，通过对表面低维结构电子态调控的深入研究，有望导致凝聚态物理基础研究的重要突破，也将推动电子信息产业的跨越式发展。
2015, 64 (7): 076802.
doi: 10.7498/aps.64.076802
摘要 +
实现单个功能有机分子构型、电子结构和自旋态的可逆调控, 是未来分子电子学和分子自旋电子学应用的关键. 近年来, 我们利用极低温强磁场超高真空扫描隧道显微镜系统, 结合第一性原理计算, 系统研究了氢原子吸附对金表面吸附的金属酞菁分子的自旋、手性和吸附位置的调控. 通过将金表面吸附的酞菁锰分子暴露于氢气或氢原子环境, 使得分子中心的磁性离子吸附单个氢原子, 从而实现了体系近藤效应由开到关的转变. 基于密度泛函理论的第一性原理计算表明, 氢原子吸附使得锰离子3d轨道内的电荷重排导致了分子的自旋由3/2降为1; 同时分子与金基底的间距增大, 使得近藤效应消失. 通过施加局域电压脉冲或者给样品加热, 可以实现单个或所有分子脱氢, 从而恢复体系的自旋态和近藤效应. 氢原子吸附还导致分子的优先吸附位置从金表面的面心立方堆垛区域变成了六角密排堆垛区域. 三个氢原子吸附于同一酞菁锰分子上, 可导致分子对称性的降低及分子镜面对称轴与金基底镜面对称轴的偏离, 从而导致手征性的出现. 这种分子吸附结构的手征性, 导致分子轨道也呈现出手征性. 这项工作为金属酞菁未来在分子电子学、自旋电子学、气体传感器等方面的应用提供了新思路.
2015, 64 (7): 076803.
doi: 10.7498/aps.64.076803
摘要 +
通过低温超高真空扫描隧道显微镜及其谱学方法研究并展示了分子配体在调控表面吸附的单个八乙基钴卟啉(CoOEP)分子的电子态和输运性质中的重要作用. 通过单分子剪裁可以脱去该分子外围的甲基, 并在中心钴原子的微分电导谱中观察测到d轨道共振到近藤共振的演变. 实验结果结合第一性原理的理论计算研究表明, 在脱去甲基前后中心钴原子的化学环境和磁矩均未发生显著变化, 这一演变可以通过一个简化模型来阐释并被归结为脱去甲基后分子配体与衬底成键改变了体系隧穿参数所导致. 此外, 实验结果表明CoOEP分子配体的输运性质可受到分子间距离和范德华相互作用的显著调控. 在CoOEP低聚体中位于分子之间的乙基被抬高, 同时在其微分电导谱谱中00.8 V区域内新出现一个强的共振峰. 这一新的共振峰表现出等间距的多峰细节, 其峰间距与卟啉环和乙基之间的CC键伸缩模式能量符合. 这一新共振峰的出现被归结为由于分子局部与衬底耦合减弱形成双结隧穿体系所导致的振子态隧穿峰.
2015, 64 (7): 077201.
doi: 10.7498/aps.64.077201
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本文报道了拓扑绝缘体(Bi0.5Sb0.5)2Te3薄膜中线性磁阻问题的系统性研究工作. 此体系中, 线性磁阻在很宽的温度和磁场范围内出现: 磁场高达18 T时磁阻仍没有饱和趋势, 并且当温度不高于50 K时, 线性磁阻的大小对温度的变化不敏感. 栅压调控化学势可明显改变线性磁阻的大小. 当化学势接近狄拉克点时, 线性磁阻最为显著. 这些结果说明电荷分布的不均匀性是引起该材料线性磁阻的根源.
2015, 64 (7): 077303.
doi: 10.7498/aps.64.077303
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纳米粒子的局域表面等离激元(LSP)由于其新颖的光学特性成为目前国内外研究的热点之一. 本文利用含时密度泛函理论(TDDFT)对金属团簇及石墨烯纳米结构中的等离激元激发及调制的物理本质进行了研究. 和宏观大小的材料相比, 由于纳米结构的尺寸和量子受限效应, 纳米结构的等离激元具有一些不同的特征. 在低能共振区, 光谱线发生展宽, 并且发生劈裂. 由于纳米单体间的电磁耦合作用, 使聚合的纳米结构表现出了与单体不同的光学性质. 这些结果为等离激元的调控提供了坚实的理论指导.
2015, 64 (7): 077304.
doi: 10.7498/aps.64.077304
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基于共轭聚合物光电器件的性能与聚合物的表面形貌、分子取向、以及与金属电极形成的界面结构密切相关. 本文利用原子力显微镜(AFM)、同步辐射光电子能谱(SRPES)和近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)等, 研究了聚(9, 9-二辛基芴并苯噻二唑)(F8BT)薄膜的表面形貌、分子取向及其与Al 电极形成界面过程的结构变化. 结果表明, 在略低于F8BT玻璃转变温度(Tg=130 ℃)条件下对F8BT薄膜进行退火, 可明显增加薄膜的表面粗糙度, 薄膜中F8BT 的分子取向角约为49, 9, 9-二辛基芴单元(F8)与苯噻唑单元(BT)几乎在同一平面. 在Al/F8BT 界面形成过程中, Al与F8BT中的C, N和S均发生不同程度的化学反应, 并导致价带结构和未占据分子轨道(LUMO)态密度的变化. Al对F8BT进行n型掺杂引起F8BT能带弯曲的同时, 未占据能级被部分占据, 更多的电子将被注入到LUMO+1中. 通过考察价带电子结构、芯能级位移及二次截止边的变化, 绘制了清晰的Al/F8BT界面能级图.
2015, 64 (7): 077305.
doi: 10.7498/aps.64.077305
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石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.
2015, 64 (7): 078101.
doi: 10.7498/aps.64.078101
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石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.
2015, 64 (7): 078103.
doi: 10.7498/aps.64.078103
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LaTiO3 是一种典型的强关联电子材料, 其(110) 薄膜为通过晶格对称性、应变等的设计调控外延结构的物理性质提供了新的机会. 本文研究了SrTiO3(110) 衬底表面金属La 和Ti 沉积所引起的微观结构变化, 进而利用电子衍射信号对分子束外延薄膜生长表面阳离子浓度的灵敏响应, 发展了原位、实时、精确控制金属蒸发源沉积速率的方法, 实现了高质量LaTiO3(110) 薄膜的生长和对阳离子化学配比的精确控制. 由于LaTiO3中Ti3+ 3d 电子的库仑排斥作用, 氧原子层截止的(110) 表面更容易实现极性补偿, 因此生长得到的薄膜表面暴露出单一类型的氧截止面.
