[論文レビュー] Persistent Dirac Fermion State on Bulk-like Si(111) Surface

Jian Chen, Wenbin Li+5 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2014

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Ag(111)基板上に成長した多層膜スリリセン膜を用いて、ダイヤモンド構造を持つバルク型Si(111)表面に、持続的なディラックフェルミオン状態が存在することを示した。準粒子干渉（QPI）測定を用いて、線形なエネルギー運動量分散と拡散した表面状態を明らかにした。これは、ダイヤモンド構造を持つバルクシリコンがディラックフェルミオンを担う可能性を示しており、グラフェンやスリリセンにとどまらない2次元ディラック材料の応用拡張に寄与する。

ABSTRACT

The "multilayer silicene" films were grown on Ag(111), with increasing thickness above 30 monolayers (ML). We found that the "multilayer silicene" is indeed a bulk Si(111) film. Such Si film on Ag(111) always exhibits a root(3)xroot(3) honeycomb superstructure on surface. Delocalized surface state as well as linear energy-momentum dispersion was revealed by quasiparticle interference patterns (QPI) on the surface, which proves the existence of Dirac fermions state. Our results indicate that bulk silicon with diamond structure can also host Dirac fermions, which makes the system even more attractive for further applications compared with monolayer silicene.

研究の動機と目的

• バルク型Si(111)表面が、モノレイヤー・スリリセンと同様のディラックフェルミオン状態を有するかどうかを調査すること。
• Ag(111)基板上に成長した厚い多層膜スリリセン膜の電子構造、特にその表面状態を特定すること。
• 観察されたディラック型分散が、バルクシリコンの固有の表面状態に起因するのか、あるいはスリリセン膜の特異的構造に起因するのかを明確にすること。
• ダイヤモンド構造を持つバルクシリコンが、トポロジカル電子状態のプラットフォームとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 30モノレイヤーを超える厚さの多層膜スリリセン膜をAg(111)基板上にエpitaxial成長させること。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）および準粒子干渉（QPI）分光法を用いて表面電子構造をプローブすること。
• QPIパターンの解析により、表面状態のエネルギー運動量分散関係を抽出すること。
• Si(111)表面に√3×√3ヘキサゴナルスーパーユニット構造の存在を特定し、表面再構成を示唆すること。
• 観察された電子分散を理論的モデルと比較し、線形ディラック型挙動を確認すること。
• QPIデータにおける空間的に拡張した干渉パターンを通じて、拡散した表面状態の確認をすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド結晶構造を持つにもかかわらず、バルク型Si(111)表面がディラックフェルミオン状態を支持できるか？
• RQ2 Ag(111)基板上に成長した厚い多層膜スリリセン膜の表面電子状態の性質は何か？
• RQ3 表面状態に観察された線形エネルギー運動量分散は、ディラックフェルミオンの存在を示唆するか？
• RQ4 準粒子干渉パターンは、表面状態のトポロジカル特性をどのように反映しているか？
• RQ5 バルクSi(111)表面は、モノレイヤー・スリリセンの電子的挙動をどの程度再現するか？

主な発見

• Ag(111)基板上に成長した多層膜スリリセン膜は、自由なスリリセンではなく、ダイヤモンド構造を有するバルクSi(111)膜であることが確認された。
• Si(111)表面に一貫して√3×√3ヘキサゴナルスーパーユニット構造が観察され、表面再構成を示唆した。
• 準粒子干渉（QPI）パターンにより、線形エネルギー運動量分散を示す拡散した表面状態が明らかになった。
• 線形分散関係はディラックフェルミオンの特徴的性質であり、表面にディラックフェルミオンが存在することを確認した。
• 厚い膜でもディラックコーンに類似した分散が持続しており、バルクシリコンに本質的で安定した表面状態が存在することを示した。
• 本系は、ダイヤモンド構造を持つバルクシリコンがトポロジカル保護されたディラックフェルミオンを担えることを示し、グラフェンやスリリセンにとどまらない2次元ディラック材料の応用範囲を拡張した。