Study on Electronic Structures of Indium Nanowires and Layers on Si(111)

Abstract

The physical properties of low-dimensional systems such as surfaces and ultra-thin films can be largely different from those of corresponding bulks due partly to enhanced many-body interactions of their electrons. Angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) has providedimportant and direct information on many-body interactions of such low-dimensional systems.In particular, the enhanced electron-phonon coupling (EPC) on metal surfaces and in metal quantum lms has been quantied by ARPES. These systems have played the role of model systems to investigate the EPC of low-dimensional materials in unprecedented accuracy anddetails. However, similar studies on semiconductor surfaces and nanostructures are quite few.Nevertheless, the EPC in semiconductor surfaces could be important to elucidate the interaction of electrons with a specic phonon mode and that in semiconductor nanostructures are crucial to understand their optical properties through the behavior of excitons and polarons.In order to contribute the understanding of EPC between 1D and 2D layers, we performed temperature-dependent ARPES measurements for the metallic In adlayers grown on the Si(111) surface. We quantied the electron-phonon coupling constants lambda's of the quasi 1D surface statesof the 4x1-In surface at one monolayer and the 2D surface states of the sqrt7xsqrt 3-In surfaceformed at a higher In thickness. The lambda values of the 2D surface states of the sqrt7xsqrt 3-In surfacevary between 0.8 and 1.0 being very close to that of bulk In, 0.9. This is thought to be related to the very much bulk-like density of states (DOS) characteristics of the double layersqrt7xsqrt 3-In structure disclosed in a recent theoretical study. This can also explain the relatively highsuperconducting transition temperature of this surface, which is fairly close to the bulk transition temperature. In sharp contrast, the electron-phonon coupling strength of the quasi-1D metallic surface states of the 4x1-In surface was found to be substantially enhanced from thebulk value as 1.3 and even 1.8 for an ideally 1D half-lled band. This enhancement can largely be explained by the enhanced DOS due to the change of the band (Fermi surface) geometry from 2D (or 3D) to quasi-1D and 1D. The role of the enhanced electron-phonon coupling of thehalf-lled metallic band in the periodicity-doubling metal-insulator transition is required to be investigated further, in particular, by theoretical calculations of the phonon spectrum and the Eliashberg function.Moreover, atomic and molecular defects for semiconductors nanowires have been intensivelystudied and expanded carbon-based materials, which often led to fascinating electronic properties. Especially defects can strongly correlate with exotic quantum states and aect the charge density waves (CDW) transition temperature, limit correlation lengths, pin CDW fluctuationand alter the eective dimensionality of the system. Thus a careful analysis of their role is necessary to understand the mechanism of the CDW formation in these 1D atomic wires. In order to contribute to a better understanding of the influence of the oxygen exposure on In atomic wires with increase transition temperature (Tc), we performed temperature-dependent and coverage-dependent low-energy electron diraction (LEED) and angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) experiments on Si(111)41-In surface with oxygen defects. So we observed the change in Tc of the structural phase transition of quasi-1D Si(111)4x1-In surface exposed the oxygen 6 L. Tc was found to be increased the oxygen 6 L, 170-180 K. Energydistribution curves (EDCs) of the measured ARPES are shifted to higher binding energy and opened band gap or reduced density of states with increased oxygen coverage and decreased temperature. Also the change of band lling in momentum distribution curves (MDCs) with increased oxygen coverage are obvious evidence of electron doping. Based on two possible causes suggested previous scanning tunneling microscopy studies, mobile defects or hole dopant, our results show the oxygen defects do not the role of hole dopant. We may suggest mechanism ofMIT that the oxygen defects locate at specic position on In wires and favor the new hexagon formation around oxygen defects with local strain and new phonon modes. But we cann't identify obviously mechanism of MIT with increased Tc due to lacks of theoretical and experimentalstudies.

저차원 전자구조를 갖는 물질계는 흥미로운 물리현상을 보여줄 뿐만 아니라 극소형 전자소자를 위한 응용성 때문에 최근 수십년간 지속적인 연구와 관심의 대상이 되어왔다. 특히 저차원 전자계는 일반적인 3차원 물질들에는 존재하지 않거나 쉽게 관측이 되지 않는 여러가지 흥미로운 물리현상을 관찰할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 기존에 많이 연구되어지던 이방성이 큰 3차원 물질계에 더하여. 최근에는 반도체 표면위에 자기 조립되는 다양한 형태의 1차원 원자막선과 2차원 원자막들이 새로운 저차원 전자계로 주목 받고 있다. 실제로 이러한 물질계는 뚜렷한 저차원 전자구조를 갖고 있으며, 스핀/전하 밀도파, 비페르미액체현상 그리고 질량이 없는 디락입자와 같은 흥미로운 저차원 물리현상들을 보여주었다. 표면에 형성된 나노구조물들의 가장 큰 장점 중 하나는 이 물질계의 특유의 다양성이라고 할 수 있다. 나노구조를 형성하는 물질의 배합이나 화학성분량을 조절하여 서로 다른 구조와 주기를 갖는 다양한 저차원상들을 체계적으로 유도해 낼 수 있다. 그 대표적인 예로 실리콘 (111) 표면 위에 자기 조립되는 원자 한층 두께의 "2차원 인듐 원자막"과 "1차원 인듐 원자선"을 들 수 있다. 다시 말해, 매우 적은 인듐 원자량에 의해 민감하게 의존하여 많은 규칙적인 상들이 나타나며, 이들은 서로 다른 주기와 형태의 전자구조를 가지고 있다. 실제로 "1차원 인듐 원자선"의 경우, 상온에서 안정적인 일차원 금속 전도성을 보여주지만 130 K 아래의 저온에서는 비금속 전도성을 가지는 현상일 일어날 뿐 아니라 구조적인 변화도 같이 일어나게 된다. 그리고 "1차원 인듐 원자선"에 불순물을 주입하여 전자구조를 바꿀 수도 있다. 그리고 "2차원 인듐 원자막"의 경우에는 극저온에서 2차원 전자구조를 가지며 극저온에서 초전도성을 가지게 된다. 이와 같이 실리콘 기판위에 형성되는 인듐 원자선/원자막계에 다양한 구조를 가지는 여러가지 상들이 존재하며, 이러한 특유의 구조적 "다양성"은 곧 그에 대응하는 다양한 전자구조를 체계적으로 연구할 수 있는 좋은 기회를 제공한다. 위와 같은 배경을 바탕으로, 본 학윈 논문에서는 고분해능 각도분해 광전자 분광법을 활용하여 인듐 원자선/원자막 그리고 인듐 원자선과 불순물과의 반응으로 일어나는 전자구조를 연구하였다. 첫째로 인듐 원자막과 인듐 원자선의 광전자 분광 연구 결과, 온도가 감소함에 따라 밴드의 두께가 줄어듬을 확인하였고, 이 두께는 전자와 포논의 상호작용에 큰 영향을 미치게 된다. 인듐 원자막의 경우, 이전에 보고된 것처럼 비슷한 값을 가지게 되지만, 인듐 원자선의 경우는 표면에서 관찰된 값 중에 가장 큼을 확인할 수 있다. 이 둘의 차이는 페르미면의 차원이 1차원에서 2차원, 3차원으로 확장되면서 전자와 포논 상호작용은 점점 줄어들게 되며, 이것은 상태밀도에 비례하게 된다. 이로써 관측된 표면 전자 밴드 구조는 전자와 포논의 역활이 굉장히 중요하다는 것을 알아냈다. 둘째로 원자선 위에 흡착된 불순물의 경우, 불순물의 종류와 온도에 따라 다른 구조를 가지고 있다. 나트륨, 수소, 인듐 등은 원자선 위에 흡착되어 130 K 아래에서도 원자선이 가지는 상온의 구조를 가지고 있다. 그러나 산소 흡착의 경우, 위와 반대로 130 K 위에서도 원자선이 가지는 저온의 구조를 가지고 있다. 이것의 전자구조를 알아보기 위해 고분해능 광전자 분광법을 이용하여 실험한 결과, 산소 흡착의 경우는 구조적인 변화 뿐만 아니라 전기적으로도 변화를 일으키게 되며, 이때 비금속성이 나타나게 된다. 또한 이 증가된 전이온도는 산소 불순물이 비금속 전도성을 가지는 바닥상태를 산소가 더욱 더 안정화시키게 되면서 기존이 원자선이 가지는 구조를 가지게 되는 것으로 볼 수 있다. 기존의 원자선이 가지는 바닥 상태에서의 구조는 포논의 역활이 굉장히 중요한데 이 포논의 역활을 산소 불순물이 더 활성화시키는 것이다. 종합하면, 원자선과 원자막 그리고 불순물과의 상호작용에는 전자와 포논의 상호작용이 굉장히 중요하게 되며, 이러한 다체계 상호작용은 전하 밀도파, 초전도성 등과 같은 저차원 물리현상을 야기시키며, 더 많은 이론적, 실험적 연구가 진행되어야 할 것이다.