金属超薄膜光学性质及量子尺寸效应的研究

As the size of the devices is close to the electron intrinsic Fermi wavelength, the quantum size effect becomes more prominent in low-dimensional structures. The surface work function, conductivity, the superconducting critical temperature, and the surface chemical activity, will be subject to the influence of the free electron energy quantization. Ultra-thin Nobel metal films have gained wide spread interest for their strong surface plamon (SP). The SP resonance frequency and induced electric field enhancement depend strongly on the thickness and the surrounding dielectric environment. However, controlling of the size and the shape of low-dimensional structures, which related to the complex kinetics and thermodynamics is still not clear. In this project, we hope explore the effect of mesoscopic scale by focus our study on SP, and combined with the existing atomic and molecular quantum manipulation techniques. The optical properties of ultra-thin metal films with various thickness will be measured on self-built in-situ ultrahigh vacuum measurement system, to ascertain the relationship between quantum effects and film optical properties. The performance of this project may open up a new field of quantum effects to adjust the optical properties of materials, thereby, invent or find some special optical properties of ultra-thin film materials, and provide new ideas and new materials for the development of new optical devices.

随着器件的尺寸越来越趋近于金属中电子的本征费米波长，低维结构中量子尺寸效应对器件性能的影响更加突出。器件的表面功函数、电导、超导临界温度、表面化学活性等，都将受到自由电子能量量子化的影响。贵金属超薄膜结构因其丰富的表面等离激元特性而受到人们的广泛关注。表面等离激元的共振频率及诱导的局域电磁场随着金属超薄膜的厚度和周围介质显著变化。然而，低维结构的尺寸和形状控制涉及到复杂的动力学和热力学问题, 精确的成核和生长机制仍然没有弄明白。本项目希望能通过对表面等离激元的重点研究，结合现有原子分子的量子操纵技术来探索介观尺度下的新效应。将在自主搭建的原位超高真空测量系统研究金属超薄膜的光学性质随薄膜厚度的变化，弄清量子效应和薄膜光学性质间的联系。本项目的开展可能开辟用量子效应调节材料光学性质的一个新领域，从而发现或者找到一些有特殊光学性质的超薄膜材料，为开发新型光学器件提供新思路和新材料。

随着器件的尺寸越来越趋近于金属中电子的本征费米波长，低维结构中的表面和界面效应以及量子尺寸效应等对器件性能的影响更加突出。当低维结构的厚度小到可以和金属中电子的费米波长相比拟时，其的各种物理性质，包括热稳定性、表面功函数、电导、超导临界温度、表面化学活性等，都将受到自由电子能量量子化的影响。另外，低维结构和衬底间的界面结构直接影响电子波的边界条件和相位，从而对系统的物性造成直接影响。这方面的研究开辟了对低维结构性质进行调控的一个新领域，已经成为目前低维和纳米研究方面的一个热点。然而相比于其他尺度下的研究，低维结构的尺寸和形状控制涉及到复杂的动力学和热力学问题仍然没有弄明白，希望能通过对表面等离激元的重点研究，结合现有原子分子的量子操纵技术来探索介观尺度下的新效应。本项目通过自主搭建的原位超高真空测量系统研究了不同层厚的Bi2Te3反射光谱特性。采用有稳压源的溴钨灯作为激发光源（250-3000nm），选择合理曝光时间和狭缝宽度，测量了不同偏振下不同厚度薄膜反射光谱的变化。我们可以看出，不同层厚归一化后的反射光谱相对强度随着偏振角的改变发生变化，反射光谱在700nm处的形状随着样品厚度的变化也发生变化，分析认为与薄膜生长过程表面态密度有很大的关系，进一步的理论解释目前还在计算过程中。采用低温技术制备了高质量的金属Pb和Ag薄膜的研究。在超高真空分子束外延生长腔，用液氮将已经处理好地Si片冷却到77K，保持半小时以上，尽管有研究表明，在衬底温度是 16K～150K 时，在 Pb/Si（111）体系中，可以观察到表征薄膜层状生长的 RHEED 条纹的振荡现象，然而，更加准确的研究发现，在低温下，Pb 在 Si（111）衬底上的生长并不是严格层状生长的模式，而是存在其它的物理机制影响并导致一种新的生长模式。生长结束后，等待样品缓慢升至室温，对薄膜进行室温退火，STM扫面结果表明，该薄膜大范围内比较平整。本项目的开展不仅在基础研究方面有很重要的意义，而且有可能开辟用量子效应调节材料光学性质的一个新领域，从而发现或者找到一些有特殊光学性质的超薄膜材料，为开发新型光学器件提供新思路和新材料。