金屬超薄膜光學性質及量子尺寸效應的研究

《金屬超薄膜光學性質及量子尺寸效應的研究》是依託上海交通大學，由白旭旭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬超薄膜光學性質及量子尺寸效應的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：白旭旭
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

隨著器件的尺寸越來越趨近於金屬中電子的本徵費米波長，低維結構中量子尺寸效應對器件性能的影響更加突出。器件的表面功函式、電導、超導臨界溫度、表面化學活性等，都將受到自由電子能量量子化的影響。貴金屬超薄膜結構因其豐富的表面等離激元特性而受到人們的廣泛關注。表面等離激元的共振頻率及誘導的局域電磁場隨著金屬超薄膜的厚度和周圍介質顯著變化。然而，低維結構的尺寸和形狀控制涉及到複雜的動力學和熱力學問題, 精確的成核和生長機制仍然沒有弄明白。本項目希望能通過對表面等離激元的重點研究，結合現有原子分子的量子操縱技術來探索介觀尺度下的新效應。將在自主搭建的原位超高真空測量系統研究金屬超薄膜的光學性質隨薄膜厚度的變化，弄清量子效應和薄膜光學性質間的聯繫。本項目的開展可能開闢用量子效應調節材料光學性質的一個新領域，從而發現或者找到一些有特殊光學性質的超薄膜材料，為開發新型光學器件提供新思路和新材料。

結題摘要

隨著器件的尺寸越來越趨近於金屬中電子的本徵費米波長，低維結構中的表面和界面效應以及量子尺寸效應等對器件性能的影響更加突出。當低維結構的厚度小到可以和金屬中電子的費米波長相比擬時，其的各種物理性質，包括熱穩定性、表面功函式、電導、超導臨界溫度、表面化學活性等，都將受到自由電子能量量子化的影響。另外，低維結構和襯底間的界面結構直接影響電子波的邊界條件和相位，從而對系統的物性造成直接影響。這方面的研究開闢了對低維結構性質進行調控的一個新領域，已經成為目前低維和納米研究方面的一個熱點。然而相比於其他尺度下的研究，低維結構的尺寸和形狀控制涉及到複雜的動力學和熱力學問題仍然沒有弄明白，希望能通過對表面等離激元的重點研究，結合現有原子分子的量子操縱技術來探索介觀尺度下的新效應。本項目通過自主搭建的原位超高真空測量系統研究了不同層厚的Bi2Te3反射光譜特性。採用有穩壓源的溴鎢燈作為激發光源（250-3000nm），選擇合理曝光時間和狹縫寬度，測量了不同偏振下不同厚度薄膜反射光譜的變化。我們可以看出，不同層厚歸一化後的反射光譜相對強度隨著偏振角的改變發生變化，反射光譜在700nm處的形狀隨著樣品厚度的變化也發生變化，分析認為與薄膜生長過程表面態密度有很大的關係，進一步的理論解釋目前還在計算過程中。採用低溫技術製備了高質量的金屬Pb和Ag薄膜的研究。在超高真空分子束外延生長腔，用液氮將已經處理好地Si片冷卻到77K，保持半小時以上，儘管有研究表明，在襯底溫度是 16K～150K 時，在 Pb/Si（111）體系中，可以觀察到表征薄膜層狀生長的 RHEED 條紋的振盪現象，然而，更加準確的研究發現，在低溫下，Pb 在 Si（111）襯底上的生長並不是嚴格層狀生長的模式，而是存在其它的物理機制影響並導致一種新的生長模式。生長結束後，等待樣品緩慢升至室溫，對薄膜進行室溫退火，STM掃面結果表明，該薄膜大範圍內比較平整。本項目的開展不僅在基礎研究方面有很重要的意義，而且有可能開闢用量子效應調節材料光學性質的一個新領域，從而發現或者找到一些有特殊光學性質的超薄膜材料，為開發新型光學器件提供新思路和新材料。