以第一原理方法研究量子尺度效應

《以第一原理方法研究量子尺度效應》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、J(F)=AF2exp以第一原理方法研究量子尺度效應對金屬表面場激發電流的影響文/黃聖峰、李筱文、梁贊全、陳子亭摘要1928年R.H.Fowler與L.W.Nordheim提岀其場激發電流的計算方法，此方法對金屬表面場激發電流提供很不錯的描述，但由於其場激發電流只與表面之功函數有關，故對磁性表面的場激發電流自旋偏極化行為則束手無策。我們發展了一套以局部密度泛涵近似法為基礎的場激發電流第一原理計算方法，並以之研究鐵(001)與(110)表面之場激發電流，本文將介紹此計算方法及相關的計算結果，並探討量子尺度效應對

2、場激發電流的影響。一、前言關於場激發電流的理論計算，最早可追朔至1928年的Fowler-Nordheim理論［1］，利用簡單的量子井模擬金屬表面之位勢行爲，並以一維自由電子氣來模擬其場激發電流的特性，此方法對金屬表面場激發電流提供不錯的描述，其著名的Fowler-Nordheim方程式其屮與丄存在一個斜率約爲-0.68303/2的簡圖一:鷄(116).(111).(211)及(110)表面之Fowlcr-Nordhcim圖形及其功函數。單關係厂如圖一所示［2］。一般認爲場激發電流要是由費米能級附近的電子提供

3、，若在費米能級附近自旋向上的表層局部能態密度與自旋向下的表層局部能態密度有差異時，即表示其穿隧電流具偏極性。自旋偏極化P定義爲不同自旋方向電流之相差與總和之比値P=⑵1979年Campagna等人由實驗屮得到鐵和鎳在不同表面自旋偏極化之數値如表1所示［3］。表1寅驗測得鐵與鎳在不同表面之自旋偏極化行為(a).二、場激發電流計算方法SpinPolzHzationoftheFieldEmissionCuncntNi(hkl)P(%)Fe(hkl)P(%)100・3土1110■5土10110+26±1100+26±

4、5ill-6±1111+20±5321+7.3±0.5掃描式電子穿隧顯微鏡(STM)［4］讓我們可以得到原子尺度的表面結構。而自旋極化的掃描式電子穿隧顯微鏡(SPSTM)［5］的出現，使產生原子尺度解析之表面磁結構的夢想露出曙光。由於錦的高熔點特質，大部分的STM探針皆以錦製成，但是鴿沒有磁性，所以不能用以探測磁性材料表面之磁結構：鐵、餉、鎳等3d過渡金屬具有磁性，但它們的熔點太低，不能做成很好的探針。若以少數層的鐵、鉛或鎳覆蓋在錦的針尖上，則有可能產生既具磁性，熔點又高的探針，產生自旋偏極化的埸激發電流，並

5、用以探測磁性表面的磁結構。如此一來，對磁性表面及磁性薄膜場激發電流的理論計算便變得非常重要。因爲Fowle.Nordheim理論是基於一維自由電子氣模型，其埸激發電流只與其功函數有關，故不能描述磁性表面場激發電流之自旋偏極化行爲，也無法理解基板對磁性薄膜場激發電流自旋偏極化的影響。局部密度泛函近似法(LocalDensityFunctionalApproximation,LDA)能對非強相關性材料捉供非常好的描述［6］，我們以LDA爲基礎發展了一套場激發電流計算方法［7］，採用週期重複的厚層超晶格來模擬金屬表

6、面行爲，而模擬外加一垂直表面方向電場時，則以一平面電荷分布置於真空層中央調整其位勢，如圖二所示。ooooooooOOOOOOOO4-OOOO+00^00ooooooooOOOOOOOO±OOOO+OOOOooooooooOOOOOOOO+OOOO+oooo00^00OOfiOoOjOOOCMOO4.OO;OO+oooo圖二：厚層超晶格之平均位勢示意圖，(a)為一般金屬表面模擬計算，(b)為在真空層中央加上平面電荷模擬外加電場。透過自洽計算，我們可得到此金屬表面在外場下之表面原子結構、電子能態分佈與其對應的波

7、函數、功函數以及表面電子所感受到的庫倫位勢等之精確計算結果。本計算方法是利用以上的資訊計算各能態對應的場激發電流。其原理很簡單，計算量不大且易於分析，可以探討不同k點及不同能階對電流的貢獻。我們利用此方法討論在弱電埸下，金屬表面的場激發電流隨厚層層數變化的影響，並就不同k點觀察各個k點對電流的貢獻。而若將此方法應用在自旋偏極化的LDA計算中，即可分別處理不同自旋方向的場激發電流性質，進而硏究其場激發電流的自旋偏極化行爲。當我們以N層的厚層來描述金屬表面時，垂直方向的週期性被破壞，所以其對應的能態被量化，這就是

8、所謂的量子尺度效應［8］，此時表面的原子結構、功函數以及電子能態皆會隨著N的己攵變而改變。當然這些物理量皆會影響該表面的場激發電流，也就是說，場激發電流也會隨著N的改變而改變。由於量子尺度效應對自旋向上與向下電子的作用不一樣，所以場激發電流的自旋偏極化也會隨著厚層數而改變。本文將分爲五個部份，第一部分爲前言，第二部份則介紹我們用以計算場激發電流的方法，第三部份爲量子尺度效應，第四部份爲鐵(001)、