中國(guó)的表面物理*

管丹丹 賈金鋒2)?

1)(上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院,人工結(jié)構(gòu)及量子調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,李政道研究所,上海 200240)

2)(南方科技大學(xué)物理系,深圳 518055)

表面物理是研究固體表面附近的幾個(gè)原子層內(nèi)具有異于體內(nèi)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的學(xué)科,是一門從20 世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的綜合性的學(xué)科.由于固體表面原子配位數(shù)與體內(nèi)不同,表面原子會(huì)產(chǎn)生垂直于表面方向的弛豫和水平方向的重構(gòu),因此,表面的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及各種性質(zhì)與體內(nèi)有較大的不同.但由于表面原子數(shù)量與體原子數(shù)量相比少很多,傳統(tǒng)用于研究體材料的實(shí)驗(yàn)方法都無法用來研究表面,因此,對(duì)表面的研究更加困難,起步也比較晚.表面物理的誕生得益于超高真空技術(shù)、表面清潔技術(shù)及各種表面敏感的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)明.與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他許多實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展有密切聯(lián)系.表面科學(xué)的研究成果,對(duì)半導(dǎo)體物理、金屬物理,超高真空物理以及化學(xué)催化等學(xué)科產(chǎn)生了相當(dāng)重要的影響.

我國(guó)的表面物理研究起步稍晚.1977年11月,全國(guó)自然科學(xué)規(guī)劃會(huì)議指出了開展表面物理科研的重要性.1978年,中國(guó)科學(xué)院物理研究所與復(fù)旦大學(xué)物理系共同組織了表面物理講習(xí)班.1978年秋,林彰達(dá)被任命為分子束外延和表面物理研究室的籌建負(fù)責(zé)人.1979年,“分子束外延設(shè)備研制和表面物理”研究組的許多成員到日本和美國(guó)研究表面科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室訪問研究,并陸續(xù)全部回國(guó).1981年9月,中國(guó)科學(xué)院物理研究所引進(jìn)了第一臺(tái)表面分析設(shè)備 ——X 射線光電子能譜儀(VG ESCA Lab5).1982年秋,中國(guó)科學(xué)院物理研究所和浙江大學(xué)物理系在杭州聯(lián)合舉辦了中國(guó)物理學(xué)會(huì)表面物理分會(huì)的第一次全國(guó)大會(huì).1983年,國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)決定分期組建一批國(guó)家重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室.中國(guó)科學(xué)院將成立表面物理國(guó)家重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室列入計(jì)劃,并進(jìn)入籌建階段.1983年12月,國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)正式批準(zhǔn)表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由中國(guó)科學(xué)院物理研究所和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所共同籌建,并同意撥款150 萬美元用作實(shí)驗(yàn)室籌建費(fèi).表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室籌備小組由物理研究所林彰達(dá)任組長(zhǎng),半導(dǎo)體研究所許振嘉任副組長(zhǎng).1987年9月,中國(guó)科學(xué)院物理研究所表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱“表面物理室”)建成,并向國(guó)內(nèi)外開放.

與此同時(shí),復(fù)旦大學(xué)在謝希德的領(lǐng)導(dǎo)下于1977年組建表面物理實(shí)驗(yàn)室,1990年被國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)建設(shè)為“應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,并在1992年12月通過驗(yàn)收.表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的成立,極大地促進(jìn)了中國(guó)表面物理的發(fā)展,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室也成為中國(guó)表面物理研究的主力軍.此外,隨著改革開放以后第一批留學(xué)人員的歸來,北京大學(xué)、浙江大學(xué)、蘭州大學(xué)等也陸續(xù)建立了表面物理研究組.

20 世紀(jì)70—80年代,表面物理的研究主要集中在確定表面原子結(jié)構(gòu)及各種氣體分子在不同表面的吸附、遷移和脫附等,使用的儀器主要是低能電子衍射、俄歇電子能譜、高分辨電子能量損失譜、X 射線光電子能譜和熱脫附等手段.這段時(shí)間,中國(guó)的表面物理剛剛起步,很多研究者都是改革開放后在國(guó)外進(jìn)修或?qū)W習(xí)回來的.北京大學(xué)楊威生于1978—1981年在美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校進(jìn)修,他師從低能電子衍射確定表面原子結(jié)構(gòu)的鼻祖F.Jona 教授,做出了一些很有意思的工作[1,2].回國(guó)后,北京大學(xué)利用世界銀行貸款購(gòu)買了低能電子衍射/俄歇電子能譜設(shè)備.楊威生用這個(gè)儀器在表面原子結(jié)構(gòu)的確定方面做出了很多代表當(dāng)時(shí)水平的工作[3–5],并獲得了1996年國(guó)家教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng).

20 世紀(jì)90年代初,表面物理室承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)基金項(xiàng)目“從原子水平上研究薄膜材科的表面與界面”、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“金剛膜的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”及教委基金“金剛石膜生長(zhǎng)基材表面吸附結(jié)構(gòu)及相變研究”.在金剛石生長(zhǎng)方面開展了長(zhǎng)期系統(tǒng)性的研究,并取得了很好的成果.“原子尺度的亞穩(wěn)態(tài)金剛石膜生長(zhǎng)、形核和異質(zhì)外延的機(jī)理研究”在1997年獲得中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng).

1994年,中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“百人計(jì)劃”,1998年又啟動(dòng)“知識(shí)創(chuàng)新工程”.表面物理室在人才引進(jìn)、科研條件改善、科研合作與交流等方面得到了有力的支持,這段時(shí)間王恩哥、薛其坤等先后加入了表面物理室并組建了各自的團(tuán)隊(duì).在他們的帶領(lǐng)下,表面物理室進(jìn)入高速發(fā)展的階段.同時(shí),中國(guó)的表面物理也進(jìn)入了輝煌的年代.

20 世紀(jì)90年代末,納米科技席卷全球,國(guó)內(nèi)很多科研單位也都投入了納米方面的研究.表面物理室也開始了納米方面的研究.薛其坤研究組[6]巧妙利用周期納米模板上的幻數(shù)原子成簇現(xiàn)象,在硅(111)襯底上,利用分子束外延方法,制備出了由全同的金屬納米團(tuán)簇周期排列而成的兩維人造晶格(見圖1).這類新物質(zhì)的形式提供了一個(gè)探索新的基本物理現(xiàn)象/規(guī)律的理想系統(tǒng),在納米電子學(xué)、超高密度信息儲(chǔ)存、納米催化和量子計(jì)算及信息處理等很多方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值,這是近年來凝聚態(tài)物理/納米科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展.薛其坤研究組[6–8]還利用掃描隧道顯微鏡/譜和第一性原理總能量計(jì)算,確定了金屬銦、鎵和鋁團(tuán)簇的原子結(jié)構(gòu),澄清了周期點(diǎn)陣的穩(wěn)定性及形成原因,這是第一個(gè)令人信服的表面上團(tuán)簇的原子結(jié)構(gòu)模型,它為理解其電子結(jié)構(gòu)、建立宏觀物性和微結(jié)構(gòu)關(guān)系以及發(fā)現(xiàn)其新的效應(yīng)奠定了基礎(chǔ).王恩哥研究組[9]制備出了各層手性一致、結(jié)構(gòu)完整的多壁碳納米管.他們首次發(fā)現(xiàn)從鋸齒型到扶手椅型的多壁碳納米管中,只有少數(shù)幾種特殊的手性管呈擇優(yōu)分布.這項(xiàng)工作在多壁碳納米管可控制生長(zhǎng)的研究方面邁出了一大步[10].他們還采用等離子體輔助熱絲化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)技術(shù),首次實(shí)現(xiàn)了硼碳氮單壁納米管結(jié)構(gòu)的直接合成[11].

圖1 Si(111)表面生長(zhǎng)出的全同銦(a)和鋁(b)納米點(diǎn)陣列Fig.1.Identical nanocluster arrays of In (a)and Al (b)grown on Si (111)surface.

按照量子力學(xué),電子在一維方勢(shì)阱中受限運(yùn)動(dòng)時(shí),其能級(jí)將變成分立的,這些分立的能級(jí)稱為量子阱態(tài).量子阱態(tài)的形成會(huì)導(dǎo)致材料奇特的物理和化學(xué)性質(zhì).半導(dǎo)體或絕緣體襯底上的金屬薄膜材料是一個(gè)理想的一維方勢(shì)阱體系.由于金屬電子的費(fèi)米波長(zhǎng)很短(～1 nm),要觀察到顯著的量子效應(yīng),薄膜的厚度就要達(dá)到納米尺度且其形貌要有原子級(jí)的平整度.但對(duì)于絕大多數(shù)金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)體系(如鉛/硅),要有控制地重復(fù)性地制備出高質(zhì)量的薄膜材料是極其困難的,因此,制備金屬材料的一維方勢(shì)阱體系在材料科學(xué)上是一個(gè)很大的挑戰(zhàn).

薛其坤研究組[12]采取低溫生長(zhǎng)方法,在硅襯底上制備出了具有原子級(jí)平整度且在宏觀范圍內(nèi)均勻的鉛薄膜,并實(shí)現(xiàn)了薄膜厚度一個(gè)原子層、一個(gè)原子層變化的精確控制,這實(shí)際上就是制備出了一個(gè)理想的、勢(shì)阱寬度可調(diào)的一維方勢(shì)阱體系.他們還進(jìn)一步深入研究了量子效應(yīng)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響,根據(jù)量子阱態(tài)隨薄膜厚度的變化,精確地確定了鉛的能帶結(jié)構(gòu),從理論上完美解釋了量子效應(yīng)調(diào)制鉛薄膜的特殊生長(zhǎng)模式和薄膜的幻數(shù)穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)了由量子效應(yīng)導(dǎo)致的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度振蕩[12].此后,又觀察到量子阱態(tài)的形成對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近電子態(tài)密度和電聲子耦合強(qiáng)度的調(diào)制行為[13],以及由量子效應(yīng)導(dǎo)致的一系列的奇異材料性質(zhì),諸如熱膨脹系數(shù)[14]、功函數(shù)[15]、臨界磁場(chǎng)[16]、表面擴(kuò)散勢(shì)壘[17]以及表面化學(xué)活性[18,19]等隨薄膜厚度(原子層數(shù))的振蕩現(xiàn)象(見圖2).這是國(guó)際上首次從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬體系“一維方勢(shì)阱問題”的系統(tǒng)研究,并利用它實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)基本參量的量子調(diào)控.該工作在固體物理的發(fā)展上具有重要意義.其中關(guān)于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度振蕩的文章在Science發(fā)表后引起了國(guó)際上很大反響.Science在發(fā)表該文的同時(shí),還邀請(qǐng)了著名科學(xué)家Chiang 教授撰文,在同期的“Perspectives”欄目上對(duì)該工作進(jìn)行了評(píng)價(jià)[20].此后,全世界各大科技網(wǎng)站都對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道.該工作團(tuán)隊(duì)人員被邀請(qǐng)?jiān)谙嚓P(guān)的重要國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告.該工作還被評(píng)為2005年中國(guó)科學(xué)家具有代表性的工作,并作為重要部分獲得了2005年中國(guó)科學(xué)院杰出成就集體獎(jiǎng).薛其坤于2006年獲得何梁何利基金會(huì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng).這一系列工作還獲得了2011年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng).

圖2 原子級(jí)平整的鉛薄膜及其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和電子態(tài)密度隨厚度的振蕩變化Fig.2.Pb films with atomic-scale uniformity,and the superconducting transition temperature Tc and the density of states N(EF)as a function of Pb film thickness,demonstrating a nonmonotonic oscillatory behavior in both Tc and N(EF).

2009年,理論預(yù)言了三維強(qiáng)拓?fù)浣^緣體系列材料的存在,開啟了拓?fù)浣^緣體實(shí)驗(yàn)研究的熱潮.表面物理室吳克輝[21]以鉍修飾的硅(111)重構(gòu)表面為模板,生長(zhǎng)出高質(zhì)量Bi2Se3單晶薄膜.馬旭村研究組與清華大學(xué)薛其坤研究組合作,利用分子束外延(MBE)技術(shù),在Si(111),SiC(0001),Al2O3,STO等襯底上,成功外延生長(zhǎng)出原子級(jí)平整的和低缺陷密度的Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3單晶薄膜,從而建立了高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),并實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜厚度的逐層控制[22,23].通過細(xì)致研究Bi2Se3薄膜的能帶結(jié)構(gòu)隨厚度增加時(shí)的演化,觀察到厚度小于6 個(gè)單位原胞時(shí),薄膜中存在有限尺寸效應(yīng)[24](見圖3).還觀察到Bi2Se3拓?fù)浣^緣體表面態(tài)在磁場(chǎng)下的朗道量子化現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)朗道能級(jí)的能量與成正比.這說明表面態(tài)可由二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子來描述[25].三維拓?fù)浣^緣體的量子薄膜的成功制備為理論預(yù)言的量子反?；魻栃?yīng)、巨大的熱電效應(yīng)、激子凝聚等效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ),為拓?fù)浣^緣體的研究和應(yīng)用打下了很好的材料基礎(chǔ),對(duì)發(fā)展新的自旋電子器件具有重要的指導(dǎo)意義.該成果入選“2010年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”.

圖3 硒化鉍薄膜以五原子層(QL)為單元生長(zhǎng),從1 QL 到6 QL 薄膜的角分辨光電子能譜圖(a)—(e)和對(duì)應(yīng)的能量分布曲線(f)—(h),可以清楚看到狄拉克表面態(tài)的能隙打開和Rashba 型的劈裂[24]Fig.3.ARPES spectra of Bi2Se3 films at room temperature: (a)–(e)ARPES spectra of 1-6 quintuple layer (QL),the Bi2Se3 films grow in QL-by-QL mode;(f)–(h)the energy distribution curves of (c)–(e)respectively,which clearly shows the opening of the energy gap and the Rashba-type splitting for Dirac surface states[24].

最近幾年,二維材料成為凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn),在這方面表面物理室也做出了很多非常優(yōu)秀的工作.吳克輝團(tuán)隊(duì)一直致力于單元素二維材料的研究,在硅烯、硼烯等的制備與研究方面取得了世界領(lǐng)先的研究成果.2016年,他們利用超高真空分子束外延的手段直接進(jìn)行單原子層構(gòu)筑的方法在Ag(111)襯底上獲得了理論上期待已久的硼烯[26],并證實(shí)了硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性.最近又成功地在Cu(111)表面合成了高質(zhì)量大面積雙層硼烯.理論計(jì)算還揭示了雙層硼烯的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性,以及其與襯底的相互作用、電荷分布和電子結(jié)構(gòu)等相關(guān)性質(zhì).他們的研究還表明,Cu 襯底與硼之間獨(dú)特的電荷轉(zhuǎn)移是雙層硼烯能在Cu(111)表面成功生長(zhǎng)的最主要原因[27].

郭建東團(tuán)隊(duì)[28]在2015年成功研制了世界首臺(tái)具有能量-動(dòng)量二維成像解析能力的高分辨電子能量損失譜儀(2D-HREELS).該系統(tǒng)將一個(gè)帶有特殊設(shè)計(jì)電磁透鏡組的電子束單色器與商業(yè)化的半球形分析器結(jié)合,可以同時(shí)探測(cè)到散射電子能量和動(dòng)量的信息.該譜儀可以對(duì)表面元激發(fā)進(jìn)行高分辨、高效率的測(cè)量,能夠給出電子、晶格及其集體激發(fā)的綜合信息,是研究二維材料拓?fù)渎曌拥睦?

最近,他們利用2D-HREELS 在整個(gè)二維布里淵區(qū)和整個(gè)能量尺度測(cè)量了石墨烯的三維全域聲子譜,系統(tǒng)觀測(cè)并揭示了石墨烯中的節(jié)線環(huán)(nodal-ring)聲子和狄拉克(Dirac)聲子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[29].他們觀測(cè)到了兩個(gè)節(jié)線環(huán)聲子并觀測(cè)到了狄拉克聲子的錐形結(jié)構(gòu).該工作利用2D-HREELS實(shí)現(xiàn)的三維聲子繪制方法為拓?fù)渎曌拥淖R(shí)別建立了一個(gè)新的范式,并為晶體材料中廣泛存在的拓?fù)洳Ｉ討B(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供了可行的路徑.

此外,表面物理室還在表面水結(jié)構(gòu)研究[30]、有機(jī)分子及其自組裝薄膜研究[31]、氧化物薄膜研究[32]以及表面低維結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)等理論研究方面都做出了非常好的工作.同時(shí),以復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為代表的其他表面研究人員也做出了非常多的優(yōu)秀工作,由于篇幅和個(gè)人能力的限制,非常抱歉無法逐一提及.

回顧表面物理在中國(guó)的四十多年發(fā)展歷史,可以看出人才是科學(xué)研究的第一要素.當(dāng)然國(guó)家的強(qiáng)盛和充足的經(jīng)費(fèi)支持也為表面物理的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障.表面物理的發(fā)展同時(shí)也為國(guó)家培養(yǎng)了大量的人才,與表面物理直接相關(guān)的年輕院士就有5 位,國(guó)家杰出青年基金獲得者、長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃有2—30 位,他們都為我們國(guó)家的科研事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn).中國(guó)的表面物理已經(jīng)成為國(guó)際凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)重要力量.

為了慶?！段锢韺W(xué)報(bào)》創(chuàng)刊90 周年,應(yīng)邀撰寫此文.期間得到了郭建東和沈健兩位實(shí)驗(yàn)室主任的大力支持,在此表示衷心感謝.