中國的表面物理*

管丹丹 賈金鋒2)?

1)(上海交通大學物理與天文學院,人工結構及量子調控教育部重點實驗室,李政道研究所,上海 200240)

2)(南方科技大學物理系,深圳 518055)

表面物理是研究固體表面附近的幾個原子層內具有異于體內結構和物理性質的學科,是一門從20 世紀60年代末期發展起來的綜合性的學科.由于固體表面原子配位數與體內不同,表面原子會產生垂直于表面方向的弛豫和水平方向的重構,因此,表面的原子結構、電子結構及各種性質與體內有較大的不同.但由于表面原子數量與體原子數量相比少很多,傳統用于研究體材料的實驗方法都無法用來研究表面,因此,對表面的研究更加困難,起步也比較晚.表面物理的誕生得益于超高真空技術、表面清潔技術及各種表面敏感的實驗技術的發明.與電子技術、計算機技術和其他許多實驗手段的發展有密切聯系.表面科學的研究成果,對半導體物理、金屬物理,超高真空物理以及化學催化等學科產生了相當重要的影響.

我國的表面物理研究起步稍晚.1977年11月,全國自然科學規劃會議指出了開展表面物理科研的重要性.1978年,中國科學院物理研究所與復旦大學物理系共同組織了表面物理講習班.1978年秋,林彰達被任命為分子束外延和表面物理研究室的籌建負責人.1979年,“分子束外延設備研制和表面物理”研究組的許多成員到日本和美國研究表面科學的實驗室訪問研究,并陸續全部回國.1981年9月,中國科學院物理研究所引進了第一臺表面分析設備 ——X 射線光電子能譜儀(VG ESCA Lab5).1982年秋,中國科學院物理研究所和浙江大學物理系在杭州聯合舉辦了中國物理學會表面物理分會的第一次全國大會.1983年,國家計劃委員會決定分期組建一批國家重點開放實驗室.中國科學院將成立表面物理國家重點開放實驗室列入計劃,并進入籌建階段.1983年12月,國家計劃委員會正式批準表面物理國家重點實驗室由中國科學院物理研究所和中國科學院半導體研究所共同籌建,并同意撥款150 萬美元用作實驗室籌建費.表面物理國家重點實驗室籌備小組由物理研究所林彰達任組長,半導體研究所許振嘉任副組長.1987年9月,中國科學院物理研究所表面物理國家重點實驗室(以下簡稱“表面物理室”)建成,并向國內外開放.

與此同時,復旦大學在謝希德的領導下于1977年組建表面物理實驗室,1990年被國家計劃委員會批準建設為“應用表面物理國家重點實驗室”,并在1992年12月通過驗收.表面物理國家重點實驗室和應用表面物理國家重點實驗室的成立,極大地促進了中國表面物理的發展,這兩個實驗室也成為中國表面物理研究的主力軍.此外,隨著改革開放以后第一批留學人員的歸來,北京大學、浙江大學、蘭州大學等也陸續建立了表面物理研究組.

20 世紀70—80年代,表面物理的研究主要集中在確定表面原子結構及各種氣體分子在不同表面的吸附、遷移和脫附等,使用的儀器主要是低能電子衍射、俄歇電子能譜、高分辨電子能量損失譜、X 射線光電子能譜和熱脫附等手段.這段時間,中國的表面物理剛剛起步,很多研究者都是改革開放后在國外進修或學習回來的.北京大學楊威生于1978—1981年在美國紐約州立大學石溪分校進修,他師從低能電子衍射確定表面原子結構的鼻祖F.Jona 教授,做出了一些很有意思的工作[1,2].回國后,北京大學利用世界銀行貸款購買了低能電子衍射/俄歇電子能譜設備.楊威生用這個儀器在表面原子結構的確定方面做出了很多代表當時水平的工作[3–5],并獲得了1996年國家教育委員會科學技術進步一等獎.

20 世紀90年代初,表面物理室承擔了國家重點基金項目“從原子水平上研究薄膜材科的表面與界面”、國家高技術研究發展計劃項目“金剛膜的應用基礎研究”及教委基金“金剛石膜生長基材表面吸附結構及相變研究”.在金剛石生長方面開展了長期系統性的研究,并取得了很好的成果.“原子尺度的亞穩態金剛石膜生長、形核和異質外延的機理研究”在1997年獲得中國科學院自然科學一等獎.

1994年,中國科學院啟動“百人計劃”,1998年又啟動“知識創新工程”.表面物理室在人才引進、科研條件改善、科研合作與交流等方面得到了有力的支持,這段時間王恩哥、薛其坤等先后加入了表面物理室并組建了各自的團隊.在他們的帶領下,表面物理室進入高速發展的階段.同時,中國的表面物理也進入了輝煌的年代.

20 世紀90年代末,納米科技席卷全球,國內很多科研單位也都投入了納米方面的研究.表面物理室也開始了納米方面的研究.薛其坤研究組[6]巧妙利用周期納米模板上的幻數原子成簇現象,在硅(111)襯底上,利用分子束外延方法,制備出了由全同的金屬納米團簇周期排列而成的兩維人造晶格(見圖1).這類新物質的形式提供了一個探索新的基本物理現象/規律的理想系統,在納米電子學、超高密度信息儲存、納米催化和量子計算及信息處理等很多方面有潛在的應用價值,這是近年來凝聚態物理/納米科學領域的一個重要進展.薛其坤研究組[6–8]還利用掃描隧道顯微鏡/譜和第一性原理總能量計算,確定了金屬銦、鎵和鋁團簇的原子結構,澄清了周期點陣的穩定性及形成原因,這是第一個令人信服的表面上團簇的原子結構模型,它為理解其電子結構、建立宏觀物性和微結構關系以及發現其新的效應奠定了基礎.王恩哥研究組[9]制備出了各層手性一致、結構完整的多壁碳納米管.他們首次發現從鋸齒型到扶手椅型的多壁碳納米管中,只有少數幾種特殊的手性管呈擇優分布.這項工作在多壁碳納米管可控制生長的研究方面邁出了一大步[10].他們還采用等離子體輔助熱絲化學氣相沉積生長技術,首次實現了硼碳氮單壁納米管結構的直接合成[11].

圖1 Si(111)表面生長出的全同銦(a)和鋁(b)納米點陣列Fig.1.Identical nanocluster arrays of In (a)and Al (b)grown on Si (111)surface.

按照量子力學,電子在一維方勢阱中受限運動時,其能級將變成分立的,這些分立的能級稱為量子阱態.量子阱態的形成會導致材料奇特的物理和化學性質.半導體或絕緣體襯底上的金屬薄膜材料是一個理想的一維方勢阱體系.由于金屬電子的費米波長很短(～1 nm),要觀察到顯著的量子效應,薄膜的厚度就要達到納米尺度且其形貌要有原子級的平整度.但對于絕大多數金屬/半導體異質結體系(如鉛/硅),要有控制地重復性地制備出高質量的薄膜材料是極其困難的,因此,制備金屬材料的一維方勢阱體系在材料科學上是一個很大的挑戰.

薛其坤研究組[12]采取低溫生長方法,在硅襯底上制備出了具有原子級平整度且在宏觀范圍內均勻的鉛薄膜,并實現了薄膜厚度一個原子層、一個原子層變化的精確控制,這實際上就是制備出了一個理想的、勢阱寬度可調的一維方勢阱體系.他們還進一步深入研究了量子效應對電子結構的影響,根據量子阱態隨薄膜厚度的變化,精確地確定了鉛的能帶結構,從理論上完美解釋了量子效應調制鉛薄膜的特殊生長模式和薄膜的幻數穩定性,發現了由量子效應導致的超導轉變溫度振蕩[12].此后,又觀察到量子阱態的形成對費米能級附近電子態密度和電聲子耦合強度的調制行為[13],以及由量子效應導致的一系列的奇異材料性質,諸如熱膨脹系數[14]、功函數[15]、臨界磁場[16]、表面擴散勢壘[17]以及表面化學活性[18,19]等隨薄膜厚度(原子層數)的振蕩現象(見圖2).這是國際上首次從實驗上實現了對金屬體系“一維方勢阱問題”的系統研究,并利用它實現了對物質基本參量的量子調控.該工作在固體物理的發展上具有重要意義.其中關于超導轉變溫度振蕩的文章在Science發表后引起了國際上很大反響.Science在發表該文的同時,還邀請了著名科學家Chiang 教授撰文,在同期的“Perspectives”欄目上對該工作進行了評價[20].此后,全世界各大科技網站都對此進行了報道.該工作團隊人員被邀請在相關的重要國際學術會議上做邀請報告.該工作還被評為2005年中國科學家具有代表性的工作,并作為重要部分獲得了2005年中國科學院杰出成就集體獎.薛其坤于2006年獲得何梁何利基金會科學與技術進步獎.這一系列工作還獲得了2011年國家自然科學獎二等獎.

圖2 原子級平整的鉛薄膜及其超導轉變溫度和電子態密度隨厚度的振蕩變化Fig.2.Pb films with atomic-scale uniformity,and the superconducting transition temperature Tc and the density of states N(EF)as a function of Pb film thickness,demonstrating a nonmonotonic oscillatory behavior in both Tc and N(EF).

2009年,理論預言了三維強拓撲絕緣體系列材料的存在,開啟了拓撲絕緣體實驗研究的熱潮.表面物理室吳克輝[21]以鉍修飾的硅(111)重構表面為模板,生長出高質量Bi2Se3單晶薄膜.馬旭村研究組與清華大學薛其坤研究組合作,利用分子束外延(MBE)技術,在Si(111),SiC(0001),Al2O3,STO等襯底上,成功外延生長出原子級平整的和低缺陷密度的Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3單晶薄膜,從而建立了高質量拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學,并實現了對薄膜厚度的逐層控制[22,23].通過細致研究Bi2Se3薄膜的能帶結構隨厚度增加時的演化,觀察到厚度小于6 個單位原胞時,薄膜中存在有限尺寸效應[24](見圖3).還觀察到Bi2Se3拓撲絕緣體表面態在磁場下的朗道量子化現象,發現朗道能級的能量與成正比.這說明表面態可由二維無質量狄拉克費米子來描述[25].三維拓撲絕緣體的量子薄膜的成功制備為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大的熱電效應、激子凝聚等效應的研究提供了基礎,為拓撲絕緣體的研究和應用打下了很好的材料基礎,對發展新的自旋電子器件具有重要的指導意義.該成果入選“2010年度中國科學十大進展”.

圖3 硒化鉍薄膜以五原子層(QL)為單元生長,從1 QL 到6 QL 薄膜的角分辨光電子能譜圖(a)—(e)和對應的能量分布曲線(f)—(h),可以清楚看到狄拉克表面態的能隙打開和Rashba 型的劈裂[24]Fig.3.ARPES spectra of Bi2Se3 films at room temperature: (a)–(e)ARPES spectra of 1-6 quintuple layer (QL),the Bi2Se3 films grow in QL-by-QL mode;(f)–(h)the energy distribution curves of (c)–(e)respectively,which clearly shows the opening of the energy gap and the Rashba-type splitting for Dirac surface states[24].

最近幾年,二維材料成為凝聚態物理研究的熱點,在這方面表面物理室也做出了很多非常優秀的工作.吳克輝團隊一直致力于單元素二維材料的研究,在硅烯、硼烯等的制備與研究方面取得了世界領先的研究成果.2016年,他們利用超高真空分子束外延的手段直接進行單原子層構筑的方法在Ag(111)襯底上獲得了理論上期待已久的硼烯[26],并證實了硼烯結構的多樣性.最近又成功地在Cu(111)表面合成了高質量大面積雙層硼烯.理論計算還揭示了雙層硼烯的結構、穩定性,以及其與襯底的相互作用、電荷分布和電子結構等相關性質.他們的研究還表明,Cu 襯底與硼之間獨特的電荷轉移是雙層硼烯能在Cu(111)表面成功生長的最主要原因[27].

郭建東團隊[28]在2015年成功研制了世界首臺具有能量-動量二維成像解析能力的高分辨電子能量損失譜儀(2D-HREELS).該系統將一個帶有特殊設計電磁透鏡組的電子束單色器與商業化的半球形分析器結合,可以同時探測到散射電子能量和動量的信息.該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量,能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息,是研究二維材料拓撲聲子的利器.

最近,他們利用2D-HREELS 在整個二維布里淵區和整個能量尺度測量了石墨烯的三維全域聲子譜,系統觀測并揭示了石墨烯中的節線環(nodal-ring)聲子和狄拉克(Dirac)聲子的拓撲結構[29].他們觀測到了兩個節線環聲子并觀測到了狄拉克聲子的錐形結構.該工作利用2D-HREELS實現的三維聲子繪制方法為拓撲聲子的識別建立了一個新的范式,并為晶體材料中廣泛存在的拓撲玻色子態的實驗觀測提供了可行的路徑.

此外,表面物理室還在表面水結構研究[30]、有機分子及其自組裝薄膜研究[31]、氧化物薄膜研究[32]以及表面低維結構生長動力學等理論研究方面都做出了非常好的工作.同時,以復旦大學應用表面物理國家重點實驗室為代表的其他表面研究人員也做出了非常多的優秀工作,由于篇幅和個人能力的限制,非常抱歉無法逐一提及.

回顧表面物理在中國的四十多年發展歷史,可以看出人才是科學研究的第一要素.當然國家的強盛和充足的經費支持也為表面物理的發展提供了強有力的保障.表面物理的發展同時也為國家培養了大量的人才,與表面物理直接相關的年輕院士就有5 位,國家杰出青年基金獲得者、長江學者獎勵計劃有2—30 位,他們都為我們國家的科研事業做出了重要貢獻.中國的表面物理已經成為國際凝聚態物理研究的一個重要力量.

為了慶祝《物理學報》創刊90 周年,應邀撰寫此文.期間得到了郭建東和沈健兩位實驗室主任的大力支持,在此表示衷心感謝.