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表面人工低维结构的功能设计与构造


□ 郭建东 王恩哥 白雪冬 陈 弘 郭丽伟 曹则贤 马旭村 夏 柯 杜小龙 高世武

  摘 要可控地构造具有一定功能的表面人工低维结构,并且总结、理解体系微观结构对其宏观性质影响的一般规律,不仅对探索低维基本物理以及其中的新奇量子现象至关重要,更是微电子工业保持持续发展的关键前提.这方面的研究包括发展新的生长技术实现对体系形成过程的精确控制,对获得的材料做高分辨率的表征;从理论上则要理解体系的生长过程,阐明热力学、动力学的作用机理,从而指导制备技术的发展.深入研究表面人工低维结构的性质更可能导致新物理现象与原理的发现,产生全新的器件概念,进一步反馈给体系功能的设计,推动基础研究与应用探索的发展.文章简要介绍了表面物理国家重点实验室近年来在表面人工低维结构的功能设计与构造方面的研究成果.
  关键词表面纳米结构,量子阱,量子尺寸效应,生长动力学,电子激发态
  
  The function design and construction of artificial surface low\|dimensional structures
  GUO Jian\|DongWANG En\|GeBAI Xue\|DongCHEN.HongGUO Li\|WeiCAO Ze\|XianMA Xu\|CunXIA.KeDU Xiao\|LongGAO Shi\|Wu
  (State key Laboratory for Surface Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
  AbstractThe exploration of low\|dimensional physics and exotic quantum phenomena require the controlled construction of functional surface nanostructures. The study of these issues is also important for the continuous development of the microelectronic industry. This field includes the novel growth techniques to realize the precise controllability as well as high\|resolution characterization of the materials. A proper understanding of the formation dynamics and kinetics promotes optimization of the fabrication methods. Moreover, studying the properties of surface low\|dimensional structures in detail can lead to the discovery of new physics and concepts of functional devices. In return, this study will stimulate the development of fundamental research and applications. Here we describe the recent achievements of the State Key Laboratory for Surface Physics in the function design and controlled construction of artificial surface low\|dimensional structures.
  Keywordssurface nanostructures,quantum well, quantum size effect, growth dynamics and kinetics, electron excitation states
  
  1.简介
  
  随着现代微电子工业日趋集成化和微型化,探索满足特殊需要的材料和器件结构,并研究其制备和控制过程以及其中特异的量子效应已经成为当今众多学科交叉研究的热点之一.从理论上来说,当固体的尺度在一个/多个维度趋近其量子特征长度时,由于量子限域效应和量子涨落效应的影响,将显现出与其体相截然不同的电子结构特征.一个典型的特点就是系统的电子结构表现出类似单原子或单分子的分立能级,相应地,其激发、弛豫和输运等一系列过程都呈现出崭新的特征,从而使材料显示出许多奇异的电、磁、光性质.例如,电流输运将呈现不连续的量子化[1],导体可以变成绝缘体[2],非磁性材料可以变得具有磁性[3],薄膜的厚度表现出特异的选择性[4,5]等.表面纳米结构的另一特点是它们的比表面积远远大于体材料,表面效应成为影响其宏观性质至关重要的因素.电子在表面的散射增强,影响到体系中电子的动力学过程,其特殊的能量、波函数、自旋等性质导致体系丰富的新性能,比如不活泼的金属(如金)构成的量子点呈现出强的催化活性[6].另外,体系维度的降低还导致多种自由度耦合的增强,显示出强关联的性质,引起丰富的量子现象,例如巨磁阻效应[7].在实验室中制造各种可以精确控制的人造小系统,包括清洁固体表面、薄膜、量子阱、人工微结构(量子点、线、环)、纳米管等,通过对体系维度的控制,进一步增强多种自由度之间的耦合,发现这些系统中的新奇量子现象,研究其规律和器件应用,对量子科学走向应用也至关重要.
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摘自:物理 2008年第06期  
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