半导体表面纳米线结构中量子特性的表征和调控

一维纳米结构由于尺寸受限或由此导致的电荷、自旋以及晶格振动等量子序之间的耦合增强，常常表现出迥异于三维体系的丰富而奇特的量子特性。本项目将主要利用具有极高空间、能量甚至自旋分辨率的扫描隧道显微镜，在原子尺度探索在各种低指数和高指数Si和Ge表面蒸发金属形成有序纳米线（包括原子链）结构的可能性，寻找量子序被维度限制或它们之间耦合增强而导致的新奇量子基态和低能激发态。在此基础上，通过改变衬底掺杂类型和浓度，控制表面缺陷密度，调节纳米线掺杂，以及施加局域电场来调控表面纳米线体系的量子特性。该研究将使我们对一维受限体系中量子序之间的耦合有更全面和深入的理解，而且一维体系中新奇量子态的发现以及对它们的可控调制将有可能用于发展基于全新原理的量子器件。

一维材料因为其丰富的物理和潜在应用而得到广泛关注。我们在一维结构量子特性方面，取得以下主要成果：1）利用扫描隧道显微术确定了Si(111)-In电荷密度波中拓扑孤子激发的精确原子结构、生成能和激活能，并进一步研究了孤子聚集形成极化子的行为；2）通过改变表面缺陷密度调控Si(111)-In原子链阵列的金属-绝缘体电子相分离，并利用电场实现金属-绝缘体转变的控制；3）通过第一性原理密度泛函计算，对镶嵌在石墨烷中的锯齿形石墨烯一维条带进行了研究，发现派尔斯失稳与自旋有序的竞争随石墨烯条带宽度发生变化。此外，我们在石墨烯低温生长和层数控制、三维金属纳米结构的等离激元特性、拓扑绝缘体薄膜输运性质、以及铁基超导体表面几何和电子结构等方面也取得重要进展。在此项目执行期间，共发表SCI论文8篇，包括PRL和ACS Nano各1篇，并申请了2项专利，；一些重要结果也正在整理成文。