角解析光電子能譜及低能量電子繞射儀研究鉛薄膜在銅(100)基底上之電子結構與薄膜性質

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研究生：	王棋斌 Wang, Chi-Bin
論文名稱：	角解析光電子能譜及低能量電子繞射儀研究鉛薄膜在銅(100)基底上之電子結構與薄膜性質 Studies of the electronic structures and thin film properties of Pb on Cu(100) by Angle-Resolved Photoemission and LEED
指導教授：	唐述中 Tang, Shu-Jung
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	英文
論文頁數：	67
中文關鍵詞：	光電子、角解析、銅
外文關鍵詞：	Photoemission, Angle-Resolved, Cu
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我們利用高解析度的角解析光電子能譜研究鉛薄膜在銅(100)基板上的電子結構。為了在銅(100)基底上製備原子平坦的鉛薄膜，我們先製備鉛的超結構作為緩衝層，在樣品溫度降至135 K時，我們成功的製備出4至14層的鉛薄膜並測量其量子井電子態。位在銅(100)基底位置的量子井電子態可以成功的以Bohr-Sommerfeld量子化規則來得到量子井電子態初始能量和薄膜厚度間的關聯，計算出的量子井電子態的理論值與實驗值相當的吻合。另外，我們也量測6至13層的鉛薄膜的薄膜熱穩定，藉由觀察到鉛薄膜熱穩定溫度來判斷薄膜穩定與否，發現薄膜穩定度會隨薄膜的層數有高低震盪的現象(Bilayer Oscillation)。我們還利用低能量電子繞射儀來觀測鉛薄膜在銅(100)基底上的原子排列情況，發現當薄膜厚度達到4 ML時，會開始出現延著鉛<111>方向成長的原子平坦薄膜，並同時以兩個領域以垂直的角度同時存在；同時我們利用Tight-binding calculation計算理論的電子結構與實驗數據相比較，結果兩者之間對應的非常好。此外，我們也藉由觀察基底銅的sp電子的訊號隨著退火溫度的變化，加上正向激發電子能譜的改變，我們可以推測出薄膜原本處於平坦的結構，隨著溫度上升，漸漸的形成下一個層數的島狀結構。

Contents


Abstract (Chinese Version) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Abstract (English Version) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Photoemission spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Three-Step Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 The Theory of Photoemission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Angle-Resolved Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .13
5 Photoemission Spectra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6 Energy Analyzer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Instruments and Experimental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
1 Ultra High Vacuum System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Evaporator: K-cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Helium Lamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Low-Energy Electron Diffraction (LEED). . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1 Kinetic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Classification of Overlayer Structures . . . . . . . . . . . . . . . 26
Surface Systems and Thin Films. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1 Crystal Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.1 Kinetic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2 Reciprocal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Surface Lattice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.1 Real Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2 Reciprocal Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Film’s Electronic States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Quantum Well states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1 Quantum Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Quantum Well Resonance States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Bohr-Sommerfeld Phase Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Pb films on Cu(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1 Sample Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.1 Atomic Structure of Pb Films. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2 Atomic Layer Resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 Energy Level Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .55
5 Reconstruction Induced by Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Thermal Stability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
6.1 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Outlook and Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

                                

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