[논문 리뷰] Interfacial Coupling and Electronic Structure of Two-Dimensional Silicon Grown on the Ag(111) Surface at High Temperature

Jiagui Feng, S. Wagner외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 22.

Graphene research and applications참고 문헌 55인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 Ag(111) 위에 형성된 다층 실리콘의 전자적 성질을 조사하여, 계면 결합이 자유 전자 유사 표면 상태를 강하게 억제하고 필름 두께가 증가함에 따라 전자 위상 공명 길이가 감소함을 밝혀냈다. 주로 스캐닝 턨널링 현미경 및 분광법을 사용하여, (√3×√3) Si 상의 고유 전자 구조는 재구성된 Ag(111)-Si(111) 표면과 동일하며, 둘 다 유사한 전자 효과 질량을 가지는 포물선형 분산 특성을 보이지만, 기초재에 의한 비탄성 전자-전자 산란으로 인해 계면 근처에서 표면 상태의 공명성이 떨어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• Si와 Ag(111) 사이의 계면 결합이 2차원 실리콘 필름의 전자 구조 및 전기적 성질에 미치는 영향을 이해하는 것.
• Ag(111) 위의 (√3×√3) Si 상이 실리센 유사 성질을 유지하는지 여부 또는 기초재 상호작용에 의해 지배되는지 규명하는 것.
• (√3×√3) 상에서 관측된 2차원 전자 가스의 기원을 밝혀내며, Ag(111) 표면 상태와 새로운 계면 상태 간의 기여를 구분하는 것.

제안 방법

• Ag(111) 위에 형성된 실리콘 필름의 표면 형태 및 전자 구조를 이미징하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 분광법(STS)을 사용하였다.
• 77 K에서의 미분 도전도 맵핑을 통해 정적파 패턴을 시각화하여 전자 위상 공명 길이를 반영하였다.
• 표면 상태 및 밴드 구조의 두께 및 비bias 의존성을 탐색하기 위해 표본 비bias 의존성 STM 및 STS 측정을 수행하였다.
• STM 이미지의 빠른 푸리에 변환(FFT) 분석을 통해 초구조를 식별하였으며, 이는 (√3×√3) Si와 기저의 (√7×√7) 계면층 간에 형성된 (√21×√21) 모리에 패턴을 포함한다.
• 실시간 표본 준비 과정으로 아르곤 스퍼터링 및 열처리를 통해 실리콘 증착 이전에 깨끗한 Ag(111) 표면을 확보하였다.
• 팁의 안정성과 일관성을 확보하기 위해 STS 스펙트럼을 정기적으로 깨끗한 Ag(111) 표면에 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ag(111) 위 실리콘 필름 두께가 증가함에 따라 전자 위상 공명 길이는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 (√3×√3) Si 상에서 관측된 2차원 전자 가스의 기원은 무엇인가—Ag(111) 표면 상태인지 또는 새로운 계면 상태인가?
• RQ3 (√3×√3) Si 상의 전자 구조는 재구성된 Ag(111)-Si(111) 표면과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 Si와 Ag(111) 사이의 계면 결합이 소수층 실리콘 필름에서 자유 전자 유사 표면 상태를 어느 정도 억제하는가?
• RQ5 비탄성 밴드 간 전자-전자 산란이 계면 근처 표면 상태의 공명성 열화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전자 위상 공명 길이가 증가하는 실리콘 필름 두께에 따라 자유 전자 유사 표면 상태가 점차 감소하며, 특히 Ag(111) 계면 근처에서 두드러진다.
• 첫 번째 (√3×√3) Si 층의 명백한 두께는 1.60 Å로, 여러 측정에서 일관되며 잘 정의된 단층 구조를 나타낸다.
• 첫 번째 층을 초과하는 (√3×√3) Si 필름의 계면 간격은 3.14 ± 0.03 Å이며, 이는 부피 Si(111)의 d-간격과 일치하여 sp3 혼성화를 나타낸다.
• (√21×√21) 모리에 초구조는 +1.5 V 및 +0.5 V 비bias에서 첫 번째 및 두 번째 층에서만 관측되며, 두께가 증가함에 따라 감쇠된다.
• (√3×√3) Si 상의 고유 전자 구조는 Si(111)-Ag(√3×√3)R30° 표면과 동일하며, 둘 다 유사한 전자 효과 질량을 가지는 포물선형 에너지-운동량 분산 특성을 보인다.
• 표면 상태 및 정적파 패턴의 억제는 Ag(111)의 표면 상태, 계면 상태 및 부위 상태 간의 오버랩으로 인한 비탄성 밴드 간 전자-전자 산란에 기인한다.