银/硅界面原位电输运及氧化铁表面结构演化研究

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人们对固体材料物理性质的理解是建立在固体中原子的完美周期性结构基础之上的。但是在晶体表面上,这种周期性和对称性被破坏了。由于具有破缺的对称性以及大量的悬挂键,表面上的原子表现出与体相截然不同但又丰富多彩的性质。它不仅为很多基础物理问题尤其是低维物理提供了研究平台,也是现代电子学及其器件发展的基础。另外,研究表面的结构对于固体化学性质的了解来说也是必不可少的,特别有助于加深在原子尺寸上对化学反应的机理的理解。所以关于表面结构和电子结构的相关性质的研究,一直是人们感兴趣的重点。  目前已经有很多实验方法和仪器来研究和表征表面原子结构和电子结构,但是直接进行表面电输运性质的研究工作还是比较少。为了加强对表面性质的理解,尤其是表面电导以及相关的其它影响因素的理解,我们利用超高真空低温STM的系统(Omicron),实现了表面电输运性质的原位测量。这种联合低温STM实现微四探针测量的方式有三个重要的优点:第一,可以利用STM稳定的Z方向运动的控制从机械上来准确控制微探针与样品表面的物理接触,这也是实现微四探针测量技术的关键一步。第二,利用低温STM内部优良的热屏蔽效果,维持样品在测量时的温度稳定性,从而完成变温电阻的测量。第三,这种采用超高真空原位替换探测头的方法可以同时测量到STM图像和电输运性质,从而有效的将STM得到的表面结构信息和微四探针测量的电输运信息紧密结合起来。  本论文主要分为三个部分。  论文的第一部分主要介绍我们的STM-MFPP联合系统,重点介绍了我们对微四探针实验技术上的探索和改进。  论文的第二部分介绍了通过使用我们的系统中的微四探针技术,对√3-Ag/Si(111)表面进行了原位电输运性质的测量。我们通过选用n型Si作为衬底,利用表面以下的耗尽层,有效将我们的探测电流保持在表面附近,实现了对二维的表面电子态的电输运测量。同时,在这个表面上引入了0.05MLAg原子作为表面杂质,通过变温的电阻曲线,我们研究了由杂质引起的局域化效应,发现这个表面在160K以上时是金属性质的输运性质。但温度达到160K以下,表现出了绝缘体性质的电输运性质,我们认为这是由局域化引起的金属绝缘体转变。  论文的第三部分的工作介绍了对Fe2O3(0001)表面结构的研究,主要通过表面结构的STM研究,揭示了表面上发生的氧化还原过程。经过Ar离子溅射以及真空退火处理后,Fe2O3(0001)表面被还原,形成铁面截止的Fe3O4(111)薄膜。在10-6氧气中退火,可以被氧化形成蜂窝状的超结构。这种超结构由三个部分组成。我们根据表面的周期等信息,分别确定了这三种表面分别为:由Feoct2截止的Fe2O3(0001)表面;O原子层截止的FeO;O原子截止的Fe2O3(0001)表面。最后我们提出了结构模型,认为这个超结构的形成主要来自表面氧原子的晶格常数的变化引起的。
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