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1、STM-STS在纳米结构电子态和输运性质研究中的新进展第26卷第4期2007年8月电子显微JournalofChineseElectronMicroscopySocietyVol一26.No.420o7—08文章编号:1000.6281(2007)04.0370—17STM/STS在纳米结构电子态和输运性质研究中的新进展杨冬冬,王兵,侯建国(中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室,安徽合肥230026)摘要:本文介绍了扫瞄隧道显微术及扫描隧道谱(STM/STS)半导体,金属量子点及单分子电
2、子态和电子输运性质研究的最新进展.STM具有高的空间和能量分辨率,不仅可用于表面和纳米体系的结构表征.而且可用于研究表面和纳米结构局域电子态和电子输运性质.半导体,金属量子点及单分子通常具有分立的电子能级结构.利用STM的探针空间局域的探测能力和较高的能量分辨本领,近年来有大量工作对这些低维体系的电子态进行了研究,对这些体系单体结构的电子输运性质研究获得了有趣的新结果.关键词:扫瞄隧道显微术,扫描隧道谱;量子点;单分子;纳米结构;电子态;电子输运中图分类号:047;048;TG115.215.7
3、;TG115,215.9;TH742.9文献标识码:A扫瞄隧道显微镜,由于较高的空间和能量分辨率,以及对原子,分子的操纵能力,可以用来研究纳米尺度材料的电子态密度及电子输运性质.扫描隧道显微术(scanningtunnelingmicroscopy,简称STM)和扫描隧道谱(scanningtunnelingspectroscopy,STS)已成为当今凝聚态物理中研究纳米结构电子态和输运性质的的重要方法.根据STM的工作原理…,隧道电流与针尖和样品的电子态密度密切相关.当针尖的电子态密度和针尖与
4、样品间的隧穿矩阵元可以近似为常数时,通过对微扰理论的进一步近似',可以得到,.cIl0(E)dE,或而dl.c.,E),(1)√0u其中10是样品的电子态密度.这表明,我们可以通过测量电流,或微分电导dl/dV,获得有关样品电子态密度的信息,研究样品的电子输运性质.我们已对STM谱学的原理和应用作过介绍,读者也可以参考相关文献n].本文中,我们将根据具体实验,对STM/STS在纳米尺度材料中电子态及电子输运性质的研究进行介绍.主要内容包括半导体,金属量子点及单分子等低维结构中电子态,电子自旋态和
5、电子输运等方面研究的最新进展.收稿日期:2007—05—09基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.20473077).Foundationitem:NationalScienceFoundationofChina(No.20473077)作者简介:杨冬冬(1984一),女(汉族),安徽人,硕士.*通讯作者:王兵(1968一),男(土家族),重庆人,教授.1STM/STS对纳米结构电子态密度的研究主要讨论对半导体,金属量子点及核壳结构量子点,单分子等低维纳米结构的电子态研究.金属和半导体由于电
6、子态密度和电子有效质量的差异,对这些结构电子态的精细表征,所需要的条件有所差异.早期对金属量子点的研究需要在极低温(mK量级)下进行,而对半导体的研究可以在液氦温度(4.2K)条件下进行.近年来,由于样品制备技术及STM能量分辨能力的提高,对金属和半导体量子点均可采用STM/STS技术开展.对单个分子电子态的研究也得到了越来越多的关注,本节主要介绍对富勒烯分子电子态的研究.其他分子体系将在第3节中单分子电子输运性质一起介绍.1.1半导体量子点1999年,Banin等..利用低温STM/STS研究
7、了化学方法制备的InAs量子点在双势垒隧道结中的扫描隧道谱,直接测量到了半导体量子点的类原子电子态.如图l所示,他们观察到,在正偏压下(样品正偏压,反映样品导带电子结构)由于单电子充电效应造成分裂的双峰结构(单重态)和六峰结构(三重态),分别对应于量子点的s态和P态.在s态或P态中,两峰间的能量差反映了库仑充电能.对于第4期杨冬冬等:STM/STS在纳米结构电子态和输运性质研究中的新进展371图1al半径为3.2nm的InAs量子点,-谱,右下插图为双势垒隧道结示意图,左上插图是单个量子点的ST
8、M像(1On×10nm);b:半径为3.2nm的InAs量子点dlidV谱;c:量子点的尺寸依赖关系…].Fig.1STMmeasurementsonsingleInAsnanocrystalwithdifferentradius,acquiredat4.2K.a:Thetunneling/-VcharacteristicofasingleInAsnanocrystal3.2nminradius.therightinsetshowsthatthequantumdotsarelinkedtothe
