[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究证明，在Ag(111)基底上外延生长的多层硅烯薄膜形成的体相类似Si(111)表面上存在一种持久的狄拉克费米子态。通过准粒子干涉（QPI）测量，研究人员揭示了线性能量-动量色散关系和离域的表面态，证实具有金刚石结构的体相硅可容纳狄拉克费米子，从而将潜在应用范围扩展至单层硅烯之外。

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.

研究动机与目标

• 探究体相类似Si(111)表面是否能支持与单层硅烯中类似的狄拉克费米子态。
• 确定在Ag(111)上生长的厚多层硅烯薄膜的电子结构，特别是其表面态。
• 澄清所观测到的狄拉克型色散是否源于体相硅中的本征表面态，还是源于硅烯薄膜的独特结构。
• 探索具有金刚石结构的体相硅作为拓扑电子态平台的潜力。

提出的方法

• 在Ag(111)基底上外延生长厚度超过30单层的多层硅烯薄膜。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）和准粒子干涉（QPI）光谱技术探测表面电子结构。
• 分析QPI图案以提取表面态的能量-动量色散关系。
• 在Si(111)表面识别出√3×√3蜂窝状超结构，表明表面晶格发生重构。
• 将观测到的电子色散与理论模型进行比较，确认其线性狄拉克型行为。
• 通过QPI数据中空间延展的干涉图案验证表面态的离域特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有金刚石晶体结构，体相类似Si(111)表面是否能支持狄拉克费米子态？
• RQ2 在Ag(111)上生长的厚多层硅烯薄膜中，表面电子态的性质是什么？
• RQ3 表面态中观测到的线性能量-动量色散是否表明存在狄拉克费米子？
• RQ4 准粒子干涉图案如何反映表面态的拓扑特性？
• RQ5 体相Si(111)表面在多大程度上模拟了单层硅烯的电子行为？

主要发现

• 在Ag(111)上生长的多层硅烯薄膜被确认为具有金刚石结构的体相Si(111)薄膜，而非自由悬浮的硅烯。
• 在Si(111)表面始终观测到√3×√3蜂窝状超结构，表明表面发生重构。
• 准粒子干涉（QPI）图案揭示了具有线性能量-动量色散关系的离域表面态。
• 线性色散关系是狄拉克费米子的特征，证实其在表面的存在。
• 即使在厚膜中，狄拉克锥型色散依然持续存在，表明体相硅中存在稳定且本征的表面态。
• 该体系表明，具有金刚石结构的体相硅可容纳拓扑保护的狄拉克费米子，将二维狄拉克材料的应用范围从石墨烯和硅烯进一步拓展。