[論文レビュー] Interfacial Coupling and Electronic Structure of Two-Dimensional Silicon Grown on the Ag(111) Surface at High Temperature

Jiagui Feng, S. Wagner+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Graphene research and applications参考文献 55被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、Ag(111)上に成長した少数層シリコンの電子的性質を調査し、界面結合が自由電子に類似した表面状態を強く抑制し、膜厚が増加するにつれて電子位相コherー二ンス長が短くなることを明らかにした。走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、著者らは、(√3×√3) Si相の固有の電子構造が、再結合したAg(111)-Si(111)表面と同一であり、両者とも類似した電子有効質量を有する放物線型分散を示すことを示したが、基板に起因する非弾性電子-電子散乱が界面付近で表面状態のコherー二ンスを低下させることを明らかにした。

ABSTRACT

Freestanding silicene, a monolayer of Si arranged in a honeycomb structure, has been predicted to give rise to massless Dirac fermions, akin to graphene. However, Si structures grown on a supporting substrate can show properties that strongly deviate from the freestanding case. Here, combining scanning tunneling microscopy/spectroscopy and differential conductance mapping, we show that the electrical properties of the ($\sqrt{3} imes\sqrt{3}$) phase of few-layer Si grown on Ag(111) strongly depend on film thickness, where the electron phase coherence length decreases and the free-electron-like surface state gradually diminishes when approaching the interface. These features are presumably attributable to the inelastic inter-band electron-electron scattering originating from the overlap between the surface state, interface state and the bulk state of the substrate. We further demonstrate that the intrinsic electronic structure of the as grown ($\sqrt{3} imes\sqrt{3}$) phase is identical to that of the ($\sqrt{3} imes\sqrt{3}$)R$30^{\circ}$ reconstructed Ag on Si(111), both of which exhibit the parabolic energy-momentum dispersion relation with comparable electron effective masses. These findings highlight the essential role of interfacial coupling on the properties of two-dimensional Si structures grown on supporting substrates, which should be thoroughly scrutinized in pursuit of silicene.

研究の動機と目的

• SiとAg(111)間の界面結合が2次元シリコン膜の電子構造および電気的性質に与える影響を理解すること。
• (√3×√3) Si相がAg(111)上に存在する場合、その固有のシリセンに類似した性質を保持しているのか、あるいは基板相互作用が支配的であるかを特定すること。
• 観察された2次元電子気体の起源を、Ag(111)表面状態とSiオーバーレイに起因する新たな界面状態の両者から区別すること。

提案手法

• Si膜の表面形貌および電子構造を評価するために、走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）が用いられた。
• 77 Kでの微分コンダクタンスマッピングにより、電子位相コherー二ンス長を反映する定在波パターンを可視化した。
• 膜厚およびバイアス依存性を調査するため、バイアス依存性STMおよびSTS測定が実施された。
• STM画像の高速フーリエ変換（FFT）分析により、(√3×√3) Siと下部の(√7×√7)界面層が形成する(√21×√21)モアレ構造を同定した。
• Arイオンスパッタリングおよび熱アニールを含むイン・サイトでの試料準備により、Si蒸着前の清浄なAg(111)表面を確保した。
• STSスペクトルは、定期的に清浄なAg(111)表面を基準として、チップの安定性と一貫性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si膜厚がAg(111)上で増加するに従い、電子位相コherー二ンス長はどのように変化するか？
• RQ2 (√3×√3) Si相に観察された2次元電子気体の起源は何か—Ag(111)表面状態か、新たな界面状態か？
• RQ3 (√3×√3) Si相の電子構造は、再結合したAg(111)-Si(111)表面とどのように比較できるか？
• RQ4 SiとAg(111)間の界面結合が、少数層シリコン膜における自由電子に類似した表面状態をどの程度抑制するか？
• RQ5 非弾性帯間電子-電子散乱は、界面付近での表面状態コherー二ンス劣化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 電子位相コherー二ンス長は膜厚が増加するにつれて短くなり、特にAg(111)界面付近で自由電子に類似した表面状態が徐々に消失する。
• 最初の(√3×√3) Si層の apparent 高さは1.60 Åであり、複数回の測定で一貫しており、明確な単層構造であることを示している。
• 最初の層を除く(√3×√3) Si膜の層間隔は3.14 ± 0.03 Åであり、バルクSi(111)のd-spacingと一致しており、sp3混成化を示唆している。
• (√21×√21) モアレ超構造は、+1.5 Vおよび+0.5 Vバイアスでの最初の2層でのみ観察され、膜厚が増加するにつれて消失する。
• (√3×√3) Si相の固有の電子構造は、Si(111)-Ag(√3×√3)R30°表面と同一であり、両者とも類似した電子有効質量を有する放物線型エネルギー-動量分散を示す。
• 表面状態および定在波パターンの抑制は、Ag(111)の表面状態、界面状態、およびバルク状態の重なりに起因する非弾性帯間電子-電子散乱に起因するとされる。