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研究生： 陳珮文
Chen, Pei-Wen
論文名稱： Study of quantum well subband dispersions of Pb film on Ge(001) by Angle-Resolved Photoemission
鉛薄膜在鍺(001)表面的量子井態之角解析光電子能譜研究
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： 99
語文別： 英文
論文頁數： 79
中文關鍵詞： 光電子能譜術 、鉛薄膜 、量子態
外文關鍵詞： vAngle-Resolved Photoemission, film, quantum well state
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    • 我們在新竹的國家同步輻射中心成功的在鍺（001）鉛重構（ c(4x8) phase ）的基底上製備平坦的鉛薄膜並且利用高解析度的角解析光電子能譜觀察隨層數變化的量子井能態，並記錄下４到１１層鉛薄膜的電子動能隨角度變化的二維影像進而得到佔有電子態在倒空間中的能譜。並以Bohr-Sommerfeld rule 決定在鍺(001)基底對應Γ位置確切的量子井能態位置，根據這些能態位置得到對應的倒空間位置去計算模擬每一層數的量子井能態分佈。我們將計算的能帶與測量得到的能譜做比較，發現除了在布理淵區(Brillouin Zone)中心的範圍，其它部分非常吻合。受到鍺基底價電帶邊緣與鉛薄膜電子態的相互作用下，在價電帶邊緣之下的量子井能態分佈會受到影響，在價電帶邊緣產生扭結（kink）。更進一步我們發現，當鉛薄膜量子井能態經過重電洞價電帶邊緣（Heavy hole band edge）時並不受到影響，但在輕電洞價電帶邊緣（Light hole band edge）和自旋軌道分裂價電帶邊緣（Split-off band edge）附近，我們可以看到類似扭結的現象使得量子井能帶分佈扭曲。這些結果可以用安德森模型（Anderson Model）去解釋，也藉由檢視鉛薄膜量子井能態與鍺基底價電子能態的軌道對稱性，可以去解釋重電洞價電帶為何與鉛薄膜量子井能帶沒有作用。我們也從測到的電子能譜中發現，奇數層能譜中對應到的量子井能帶只有它自己本身層數，而偶數層能譜可以看到除了它自己本身層數以外還有上下兩層的量子井能帶存在。這表示著偶數層是一個比較不穩定的層數。另外，這個結果也跟我們做的熱穩定實驗結果十分一致。

    Contents Abstract (Chinese Version) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Abstract (English Version) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2Photoemissionspectroscopy ............................. 3 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Theory of Photoemission Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Angle-Resolved Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4 Photoemission Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .12 2.5 Source of Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.1 HeliumLamp . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.2 Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 Ultra High Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 2.7 EnergyAnalyzer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 2.7.1 Electron Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.7.2 Analyzer Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7.3 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.8 Low Energy Electron Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 3 Surface Systems and Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 3.1 Crystal Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Reciprocal Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Surface Crystal Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 Surface Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1 Clean Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.2 FilmGrowth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 iv 3.3.3 Thickness of Thin Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5 Quantum Well States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5.1 The Bohr-Sommerfeld Phase Model . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5.2 Quantum Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.6 Thermal Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.7 Thickness-Dependent Oscillations in Pb . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.8 Beating Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 Pb Filmon Ge(111) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3 Quantum Well Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.1 FilmThickness Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.2 Energy Level Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 Thermal Stability Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 4.4.1 Experimental Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4.2 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5 Atomic Structure of Pb Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 v

    1] S.-J.Tang, L.Basile, T.Miller, and T.-C. chiang, Phys. Rev. B. 93, 216804(2004)
    [2] S. D.Kevan, Phys. Rev. B 32, 2344 (1985)

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