大綱
於低溫時,在鉛和矽的線條不相稱的相態(stripe incommensurate phase)上可以成長只有幾個奈米高的量子鉛島。在這些量子鉛島上可以觀察到由於在鉛矽介面堆疊排序不同而造成有兩種不同的影像。這兩類影像的對比會隨著量子鉛島的高度不同及所施加的偏壓而改變。這些現象都指示出量子鉛島上的圖案大多是來自於電子特性。利用這種源自於電子特性的量子鉛島圖案當作一種模作,我們可以成功地聚集不同種類的原子,自然地形成奈米結構。這種利用自然形成的奈米結構,比起利用人造模型鑄造的方式更迅速及方便。
最近,我們利用改變不同溫度或鍍量成功地在量子鉛島上聚集出不同元素的奈米結構,並且發現銀(Ag)可以在量子鉛島上自發性地高度有序排列出二維陣列。銀原子團之所以可以在量子鉛島上有序排列,主要原因是來自於在第一形態量子鉛島上以面心堆疊排列(fcc)的位置上有很強的束縛能。利用分析方法,我們可以得到束縛能的大小。另一方面,我們也利用銀原子團在量子鉛島的成長特性,成功地表現出量子鉛島的圖案有以兩層更替振盪影像對比強度不同的特徵。
圖一: 鉛量子島的特徵: (a) 同樣三層厚但不同形貌的兩種鉛量子島,分別標為第I類型與第II類型。 (b) 島上的影像會隨著實驗時所加在樣品上的偏壓而改變:上圖為+2V,下圖為+0.4V。 (c) 第I類型鉛島上的清晰影像會隨著層厚每增加一層而改變成模糊,第II類型鉛島則反之。
圖二: 溫度120K,在三層厚第I類型的鉛量子島上排列整齊之銀的奈米碟。 (a)鍍上0.2ML的銀在第I類型鉛量子島的STM 圖(大小:100 nm × 170 nm )。左下為其傅立葉轉換的影像。(b) 實線曲線為歸一化之後銀的奈米碟之大小分布圖。虛線曲線則是根據規模理論(scaling theory)中所描述之一般原子擴散的大小分布圖。(c)位在超結構中單一網格之銀的奈米碟。(d)三層鉛堆疊在以矽為基底的草圖。
圖三 在不同溫度之下,鍍上適當的的銀在鉛的量子島上的STM圖(大小為60 nm × 60 nm): (a) 40K, (b) 120K, 和(c) 180K。(d) 草圖描述銀的奈米碟在鉛的量子島的系統中,兩種額外所要克服的擴散能量 (e) 有關銀的原子團密度多寡和溫度倒數的Arrhenius 關係圖。
圖四 (a) 溫度100K,鍍0.16 ML的銀在三層厚之第I及第II類型鉛量子島的STM 圖(大小:160 nm × 120 nm )。(b)溫度100K,鍍0.16 ML的銀在三層及四層厚之第I及第II類型鉛量子島的大小分布圖。溫度100K,鍍0.16 ML的銀在四層厚(c)第I及(d)第II類型鉛量子島的STM 圖(大小80 nm × 80 nm)。圖中的數字表鉛矽介面之上的鉛量子島厚度。
References:
- W. B. Jian, W. B. Su, C. S. Chang, and T. T. Tsong, Phys. Rev. Lett. 90, 196603 (2003).
- H. Y. Lin, Y. P. Chiu, L. W. Huang, Y. W. Chen, T. Y. Fu, C. S. Chang, and Tien T. Tsong, Phys. Rev. Lett. 94, 136101 (2005)
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