[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究探讨了在 Ag(111) 上生长的少层硅的电子性质，发现界面耦合强烈抑制了类自由电子的表面态，并随着薄膜厚度增加，降低了电子相位相干长度。通过扫描隧道显微镜和谱学技术，作者表明，(√3×√3) Si 相的本征电子结构与重构的 Ag(111)-Si(111) 表面完全相同，两者均表现出相似的抛物线能带色散和电子有效质量，但基底诱导的非弹性电子-电子散射会削弱界面附近的表面态相干性。

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.

研究动机与目标

• 理解 Si 与 Ag(111) 之间的界面耦合如何影响二维 Si 薄膜的电子结构和电学性质。
• 确定在 Ag(111) 上的 (√3×√3) Si 相是否保持本征的类似 silicene 的性质，或受基底相互作用主导。
• 阐明在 (√3×√3) 相中观测到的二维电子气的起源，区分来自 Ag(111) 表面态和新界面态的贡献。

提出的方法

• 采用扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）技术，对在 Ag(111) 上生长的 Si 薄膜的表面形貌和电子结构进行表征。
• 在 77 K 下进行微分电导率测绘，以可视化驻波图案，反映电子相位相干长度。
• 执行与样品偏压相关的 STM 和 STS 测量，以探测表面态和能带结构的厚度与偏压依赖性。
• 对 STM 图像进行快速傅里叶变换（FFT）分析，以识别超结构，包括由 (√3×√3) Si 和下层 (√7×√7) 界面层形成的 (√21×√21) 莫尔图案。
• 通过氩离子溅射和热退火的原位样品制备，确保在 Si 沉积前获得清洁的 Ag(111) 表面。
• STS 谱学数据定期参照清洁的 Ag(111) 表面，以确保探针稳定性和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着 Si 薄膜在 Ag(111) 上厚度的增加，电子相位相干长度如何演化？
• RQ2 在 (√3×√3) Si 相中观测到的二维电子气的起源是什么——是来自 Ag(111) 表面态，还是新界面态？
• RQ3 与重构的 Ag(111)-Si(111) 表面相比，(√3×√3) Si 相的电子结构有何异同？
• RQ4 Si 与 Ag(111) 之间的界面耦合在多大程度上抑制了少层 Si 薄膜中类自由电子的表面态？
• RQ5 非弹性带间电子-电子散射在界面附近表面态相干性退化过程中起什么作用？

主要发现

• 随着薄膜厚度增加，电子相位相干长度减小，类自由电子的表面态在 Ag(111) 界面附近逐渐减弱。
• 第一层 (√3×√3) Si 的表观高度为 1.60 Å，多次测量结果一致，表明具有明确的单层结构。
• 第一层以上的 (√3×√3) Si 薄膜层间距为 3.14 ± 0.03 Å，与体相 Si(111) 的 d-间距一致，表明存在 sp3 杂化。
• 仅在 +1.5 V 和 +0.5 V 偏压下，第一和第二层观察到 (√21×√21) 莫尔超结构，随着层厚增加而衰减。
• (√3×√3) Si 相的本征电子结构与 Si(111)-Ag(√3×√3)R30° 表面完全相同，两者均表现出抛物线形能量-动量色散关系，且电子有效质量相近。
• 表面态和驻波图案的抑制归因于 Ag(111) 表面态、界面态与体相态之间重叠引起的非弹性带间电子-电子散射。