İlerleme Doğrudan Deneysel Gözlem ve Sililendeki Yeni Dirac Konisinin Kökeni
Sililen, tek bir silikon atomu tabakasından oluşan iki boyutlu tek bir kristal yapıyı ifade eder. Teori, grafene benzer bir bal peteği kristal konfigürasyonuna sahip olduğu için, grafene benzer bir elektronik yapıya sahip olacağını, yani Brillouin bölgesinin üst açısında (K noktası) bir Dirac konisi olacağını öngörüyor. Grafende, Dirac noktasının yakınındaki yarı parçacıklar, pek çok ilginç fiziksel fenomene ve yüksek elektron hareketliliğine yol açan kütlesiz Dirac fermiyonlarına benzer. Grafenin benzer fiziksel özelliklerine ek olarak, sililenin de bazı benzersiz özellikler göstermesi beklenmektedir. Silisyum atomları karbon atomlarından daha ağır olduğu için, sessizdeki gelişmiş dönme yörüngesi birleşimi, Dirac noktasında daha büyük bir enerji boşluğuna neden olur ve bu da deneysel sıcaklık aralığında kuantum spin Hall etkisinin elde edilmesini mümkün kılar. Ek olarak, sililenin tüm silikon atomları tamamen aynı düzlemde olmadığından, bir elektrik alanı kullanarak Dirac noktasındaki enerji aralığını ayarlamak ve böylece birden fazla topolojik fazın dönüşümünü gerçekleştirmek mümkündür. Özellikle, sililenin geleneksel silikon endüstrisi ile uyumluluğu, gelecekte nanoelektronikte daha geniş uygulama olanaklarına sahip olmayı mümkün kılar.
Son yıllarda, insanlar silileni farklı substratlar üzerinde başarılı bir şekilde sentezlediler ve sililen üzerindeki deneylerin çoğu Ag (111) substratlarına odaklandı. Farklı hazırlama koşullarına göre, sililen, 1 × 1 sililen periyoduna göre 3 × 3 ve (3 × 3) R30 ° rekonstrüksiyonları dahil olmak üzere Ag (111) substratları üzerinde çeşitli yapılar oluşturabilir. Şimdiye kadar alt tabakaya silisin bağlanması gerektiğinden, bu durumda Dirac fermiyonlarının silisen sisteminde hala var olup olmadığı konusunda şiddetli bir tartışma var. Mevcut deneyler çelişkili sonuçlar sağlar ve teori, sililen ve Ag (111) arasındaki etkileşimin Dirac konilerinin varlığını yok edebileceğini öngörür. Bu sorunun sonucu, sililenin elektronik yapısının doğrudan gözleminden ve sistematik çalışmasından ayrılamaz. Doktora öğrencileri Feng Ya, Liu Defa, Liu Xu, Yardımcı Araştırmacı Zhao Lin ve Wu Kehui'nin Süperiletkenlik Eyalet Anahtar Laboratuvarı, Fizik Enstitüsü, Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Laboratuvarı'ndan araştırma grubu (hazırlık aşamasında) Çin'de bir doktora öğrencisi olan Feng Baojie ve diğerleri, yüksek çözünürlüklü açı çözümlemeli fotoelektron spektroskopi teknolojisini kullanarak ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Northeastern Üniversitesi'nden Arun Bansil gibi teorik araştırmacılarla işbirliği yaparak, sistematik olarak (3 × 3) sililenin Ag (111) substratları üzerinde büyümesini inceledi. Sililen ve Ag'nin (111) etkileşimi ile üretilen yeni bir Dirac koni yapısı türü olan elektronik yapı keşfedildi, bu da sililen içindeki Dirac konisi hakkındaki tartışmayı netleştirdi.
Deney, Ag (111) substratı üzerinde yetiştirilen yüksek kaliteli (3x3) sililenin benzersiz bir elektronik yapı sergilediğini buldu: Ag (111) 'e karşılık gelen ilk Brillouin bölgesinin altı tarafında altı çift vardır. Her bir Dirac koni çiftinin merkezinin M noktasında olduğu Dirac konileri (Şekil 1). Daha fazla araştırma, Dirac konisinin üçgen benzeri bir şekil gösterdiğini (Şekil 2) ve bant yapısının ve Fermi hızının açık bir anizotropi sergilediğini buldu (Şekil 3). Hazırlanan sililen düşük sıcaklıkta sadece alt koninin yapısını gözlemleyebildiğinden, üst koninin yapısını tespit etmek için yüksek sıcaklık ölçümü ve potasyumun yüzey buharlaşmasını kullandık (Şekil 4). Elektron katkısı için numunenin yüzeyinde potasyum buharlaştırılarak, sililenin Dirac noktasının konumu kademeli olarak aşağı kayar Yeterli potasyum buharlaştığında, Dirac konisinin yapısı açıkça görülebilir (Şekil 4H).
(3x3) sililen / Ag (111) 'de gözlenen altı çift Dirac koni yapısı bazı alışılmadık özellikler sergilemektedir. Her şeyden önce, bu altı çift Dirac konisi, Ag (111) 'in Brillouin bölgesinin M sınırının yakınında bulunur; bu, bağımsız sililenin, sililene karşılık gelen Brillouin bölgesinin K noktasında altı Dirac konisine sahip olduğuna dair teorik tahminle tutarlıdır. farklı. İkinci olarak, sililen (111) rekonstrüksiyonunun bant katlanmasına neden olması beklenir, ancak deneysel olarak gözlenmez. Bu altı çift Dirac konisi, yalnızca (3x3) Silane Brillouin bölgesinin K noktası yakınında Ag (111) Brillouin bölgesinin sınırında görünür ve saf (3x3) silikonda tek başlarına var olmadıklarını gösterir. Alkende, saf Ag'de (111) tek başına değil, ikisi arasındaki etkileşimin sonucudur. Mevcut teorik hesaplamalar bu yeni Dirac yapısının kökenini açıklayamaz, umarım bu deneysel sonuçlar ilgili teorik çalışmayı daha da ileriye götürür.
Fotoelektron spektroskopi deneyleri ile sililende yeni bir Dirac konisinin varlığını doğrudan gözlemleyen ilk çalışma olan bu çalışma, aynı zamanda iki malzemenin etkileşimi ile yeni bir Dirac yapısının üretilebildiği ilk çalışma. Bu Dirac koni yapısının sessizlikte doğrudan gözlemlenmesi, ilgili teorik ve deneysel anlaşmazlıkları ve farklılıkları netleştirdi ve sessizlikte yeni kuantum fenomenlerinin keşfi ve uygulaması için temel oluşturdu.
İlgili araştırma çalışması, son PNAS [PNAS 113 (51), 14656-14661 (2016)] 'da yayınlandı. Yukarıda bahsedilen bilimsel araştırma çalışması, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı ve Bilimler Akademisi Pilot B Projesi tarafından finanse edildi.
Şekil 1. Ag (111) substratı üzerinde büyütülmüş (3x3) sililenin tarama tünel mikrografı (A) ve elektronik yapısı (D). Karşılaştırma için, (C) saf Ag'nin elektronik yapısını gösterir (111)
Şekil 2. Dirac konilerinin (3 × 3) silyilen / Ag (111) 'de bağlanma enerjisi (A, B ve C) ile evrimi ve Brillouin bölgesindeki dağılımları.
Şekil 3. Sililenin bant yapısı (A-F) ve Fermi hızının (H) anizotropisi.
Şekil 4. Silisen Dirac'ın üst koni yapısını tespit etmek için yüksek sıcaklık ölçümü (A-D) ve potasyum yüzey buharlaştırma (E-H) yöntemlerinin kullanılması.
Düzenleme: yangfz
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
