Lecture3 表面电子态PPT课件_第1页
Lecture3 表面电子态PPT课件_第2页
Lecture3 表面电子态PPT课件_第3页
Lecture3 表面电子态PPT课件_第4页
Lecture3 表面电子态PPT课件_第5页
已阅读5页,还剩73页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

精选,1,本节课主要内容,凝胶模型近自由电子近似紧束缚近似镜像态实例1:贵金属表面态实例2:半导体表面态实例3:拓扑绝缘体表面态实例4:高温超导体表面态,精选,2,表面电子态的分类,精选,3,表面态的发现者,NobelPrizeforPhysicsin1958,forthe1937workunravelingthesciencebehindtheblueglowofradioactivematerialimmersedinliquid,calledtheCherenkoveffect.In1932,hepredictedwhatarenowcalledsurfacestatesorTammstates.HeisalsofamousforhisworkontheSovietUnionshydrogenbombproject.,IgorY.Tamm(1895-1971),精选,4,1.凝胶模型,Thejelliummodel,inwhichthevalanceelectronsareininteractionwiththeirownaveragechargeandwithanionicchargeuniformlyspreadinhalfthespace,equilibratingtheelectronicdensityand,thus,arefree.Itappliestonormalmetals.,M.C.DesjonqeresandD.Spanjaard,ConceptsinSurfacePhysics,Springer-Verlag,1996.,精选,5,一维无限深势阱,z,Assumingthewavefunctioninthewellcanbe:,Withtheboundaryconditions:,Then,thenormalizedwavefunctionis:,where,p=1,2,3,ThedensityofkstatesisthusL/,精选,6,无边界情况,Forinfiniteonedimensionalelectrongas,theBorn-VonKarmanboundaryconditionis:,Thecorrespondingwavefunctionsare:,wheren=0,1,2,3,ThedensityofkstatesisthusL/2,长度为L的一维电子气(周期性边界条件),精选,7,可填充电子数vs费米波矢,无边界的一维电子气:,一维无限深势阱:,L,L,ForagivenkF,welooseonestateatthebottomofthebandonmakingtwosurfaces.,精选,8,有边界情况下的电子密度(一维无限深势阱),Atthecontinuumlimit,N,L,but2N/Lremainsconstantandequaltothehomogeneousbulkelectrondensity0-:,Ifweintegrate-(z)-0-fromz=0toz=,wefind:,Wehave:,Wavefunction:,Forz0,z0,Where:,Phaseshift,精选,12,当前模型的局限,没有考虑电子间的交换关联作用。忽略了原子核的周期性分布。非自洽的计算:势场应该从波函数得到。,精选,13,更精确的方法:DFT-LDA,Ves(r),精选,14,Remarks,Thejelliummodeldescriptionofametalsurfaceneglectsthedetailsoftheelectron-ioninteractionandemphasizesthenatureofthesmoothsurfacebarrier.Thenearlyfreeelectronmodelemphasizesthelatticeaspectsoftheproblemandsimplifiestheformofthesurfacebarrier.,精选,15,2.近自由电子模型,Thenearlyfreeelectronmodel,whichisvalidwhenthelatticepotentialisweak.Consequently,thispotentialistreatedasaperturbation,theunperturbedstatesbeingfreeelectronplanewaves.Thismodelcandescribetheelectronicstructureofnormalmetalsandsomenarrow-gapsemiconductors.,M.C.DesjonqeresandD.Spanjaard,ConceptsinSurfacePhysics,Springer-Verlag,1996.,精选,16,布洛赫定理,精选,17,一维能带理论,设:e=m=1,a/2,0,精选,18,在体内(z0,精选,23,近自由电子模型的使用范围,Assumingthatthevalenceelectronsarecompletelydelocalizedwhenthesolidisformed(metal).Theperturbationofthelatticepotentialisweak(narrow-bandsemiconductor).,精选,24,3.紧束缚近似模型,Thetight-bindingapproximationusingwavefunctionswrittenaslinearcombinationsofatomicorbitalscenteredateachlatticesite.Thisapproximationappliestofairlylocalizedelectrons.Itissuccessfulinthetreatmentoftransitionmetalsandalsoforwide-bandgapsemiconductorsandinsulators.,精选,25,物理图像,Thispicture,itiseasytocomprehendthattheexistenceofasurfacewillgiverisetosurfacestateswithenergiesdifferentfromtheenergiesofthebulkstates.Sincetheatomsresidinginthetopmostsurfacelayeraremissingtheirbondingpartnersononesidetheirorbitalshavelessoverlapwiththeorbitalsofneighboringatoms.Thesplittingandshiftingofenergylevelsoftheatomsformingthecrystalisthereforesmalleratthesurfacethaninthebulk.,精选,26,一维线性链模型,体系的周期性势场为VL(r)为各格点原子势场Va(r-na)之和:,考虑由N个原子组成的线性链,原子间距为a:,其中孤立原子的薛定谔方程为:,原子能级,原子束缚态,精选,27,则一维线性链体系的薛定谔方程为:,微扰,根据简并微扰方法,线性链共有化电子的波函数可以写为:,将上式代入体系的薛定谔方程,并只考虑最近邻格点的交叠积分:,:on-sitematrixelement:nearestneighborhoppingmatrixelement,精选,28,可以得到关于展开系数cn的齐次方程:,可以证明,该方程有下列简单形式的解:,A,B为任意常数,将cn的解代入上述cn的齐次方程可得:,在没有表面的情况下,根据周期性边界条件:,可以得知,k为简约波矢,在第一布里渊区内共有N个值,密度为Na/2,精选,29,在有表面存在的情况下,展开系数cn在表面处应满足:,n=1,n=N,考虑到表面处的on-sitematrixelement可能与体内不同:,所以有如下关于cn的齐次方程组:,n=1,n=N,1nN,精选,30,上述齐次方程组有非零解的条件是cn的系数矩阵的行列式为0,由此可得到关于E的一个超越方程,共有N个解,大多数解对应的波函数在链中每个原子上有差不多的强度,,其中有两个解不同于体态值,其对应的波函数在表面上有很大的强度,而在体内原子上的强度很小,这便对应于表面态,一般称作Tammstate。,但是如果:,n=1,n=N,1nN,精选,31,例子:三原子线性链,由于on-sitematrixelement只引起能级的整体移动,所以我们这里忽略,并把E0作为能级原点,则有:,关于cn的齐次方程组可以简化为:,精选,32,由cn的系数矩阵的行列式为0,可得:,从而得到能量本征值E:,对应的本征波函数为:,可见,2(r)只在表面处原子上有分布,对应于表面态,Surfacestate,精选,33,镜像态-强关联效应,前面的模型都假设电子-电子相互作用比较弱,或者不考虑电子-电子相互作用。如果电子-电子相互作用较强,将出现一种新的表面态:镜像态。不同于一般的表面态,镜像态往体内迅速衰减,而在表面外可以延伸很长的距离。,精选,34,镜像势,Stronglycorrelatedinteraction,En=-0.85eV/(n+a)2,n=1,2,.,类似于氢原子的能级,金属电子对表面外电荷的屏蔽效应,精选,35,Cu(100)和Cu(111)表面的镜像态,Non-resonant,Resonant,精选,36,金属/绝缘体界面的镜像态,ProgressinSurfaceScience80(2005)4991,两个界面都有镜像态!,精选,37,精选,38,2PPE测得的Cu(100)表面的镜像态,ProgressinSurfaceScience80(2005)4991,精选,39,STMz(V)spectroscopy,利用STM探测表面的镜像态,精选,40,休息15分钟,精选,41,实例1:贵金属表面态,精选,42,Ag(111)表面在费米面附近存在能隙,而其他表面不存在能隙,Ag各个表面的能带结构,精选,43,各种贵金属的(111)面,精选,44,Au(111)表面态的测量,ARPES,STMdI/dVspectroscopy,Constantdensityofstates(2D),自旋轨道耦合,精选,45,表面驻波,StandingwavesonAg(111)surface,http:/www.omicron.de,局域态密度:,精选,46,表面态电子被台阶的散射,kx,ky,k1i,k1s,k2i,k2s,0,台阶,等能面E,M.F.Crommieetal.,Science363,524(1993),局域态密度:,精选,47,表面态的能量色散,Y.HasegawaandPh.Avouris,Phys.Rev.Lett.71,1071(1993),精选,48,Quantumcorrals,FeadatomsonCu(111),1993-IBMsQuantumCorral,精选,49,Otherarrangementsofironatomsoncoppersubstrates.Notethatonlytheperfectcircleshowsthestandingwaveofelectrons.,精选,50,表面态的应用1:原子超晶格,F.Sillyetal.,Phys.Rev.Lett.92,016101(2004),精选,51,表面态的应用2:Moleculargraphene,人工石墨晶格:COonCu(111),CO,K.K.Gomesetal.,Nature483,306(2012),精选,52,表面态的应用2:moleculargraphene,精选,53,实例2:半导体表面态,精选,54,Thereisanaturalquasi-chemicalviewofthecreationofasurface,asprocessaccompaniedbybreakingofinteratomicbonds,whichcanbediscussedintheframeworkofthetight-bindingapproach.,半导体表面态可以由紧束缚近似很好的描述,精选,55,Principleofsemiconductorsurfacereconstruction,Basicprinciple:thesurfacestructureobservedwillbethelowestfree-energystructurekineticallyaccessibleunderthepreparationconditions.Principle1:Asurfacetendstominimizethenumberofdanglingbondsbyformationofnewbonds.Theremainingdanglingbondstendtosaturated.Principle2:Asurfacetendstocompensatecharges.Principle3:Asemiconductorsurfacetendstobeinsulating(orsemi-conducting).,精选,56,sp3杂化,s,p轨道杂化,精选,57,表面的断键,(111),(100),Illustrationofbondcuttingduringsurfaceformation,Danglingbond,backbond,精选,58,Si(111)和Si(100)的表面态,精选,59,Si(100)的表面杂化,精选,60,Si(100)表面的二聚体重构(2x1),Fourdegenerateddanglingbonds,*,Dimer-bondformation:andanti-levels,降低系统的总能量!,精选,61,二聚体的buckling,*,DBdown,DBup,FurtherseparationofDBlevelsbydimerbuckling,*,Splittingofdanglingbond(DB)levelsby-*interaction,*,精选,62,Si(100)-c(4x2)STM形貌图,占据态,空态,STS隧道谱,T.Yokoyamaetal.,Phys.Rev.B61,R5078(2000),*state色散,精选

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论