실리콘 표면위에 형성된 나노구조물 물성 연구

Abstract

낮은 차원계에 갇힌 전자는 3차원계의 전자와는 다른 특성을 가지게 되며, 이는 낮은 차원계에서 강화되는 전자간의 상호작용에 기인한다. 양자 우물 효과, 파이얼스 금속-비금속 전이 그리고 루틴저 물성에서 보이는 스핀-전하 분리와 같은 것들이 일반적 페르미 액체 이론으로 설명되지 않는 비페르미 물성의 대표적인 것들이다. 이러한 비페르미 물성을 가지는 낮은 차원계 물리를 이해하기 위하여 다음에 세가지 주제를 연구하였다. 0차원 금 나노 입자의 크기 변화에 따른 화학적 반응성 변화, Si(553) 표면에 형성된 1차원 금 원자선의 특이한 전기적 특성 그리고 실리콘 표면에 형성된 1차원과 2차원 철-실리사이드 구조물의 구조적 전기적 특성들이 그것이다. 이러한 저차원 구조물의 전기적 물성을 분석하기 위하여 각도분해 광전자 분광법(ARPES)과 방사광 가속기를 이용한 광전자 분광법(SRPES)를 사용하였으며, 구조적 특징의 분석을 위하여 저에너지 전자 회절법(LEED) 를 사용하였다. 0차원 구조물의 예로써, 산화실리콘 표면에 형성된 금 나노입자의 화학적 반응성이 그 크기 변화에 따라 어떻게 변화하는지 연구하였다. 부탄싸이올 흡착 실험과 산화 실험을 통하여 금 나노입자의 화학적 반응성이 최대가 되는 특이크기가 존재함을 확인하였다. 금 나노입자의 화학적 반응성은 그 크기가 작아지면서 표면적의 부피에 대한 비율이 늘어남에 따라 그 반응성이 증가하다가 부탄싸이올의 경우 0.8 nm 산화의 경우 3.0 nm 보다 그 크기가 작아지면 반응성이 다시 작아지는 것을 확인하였다. 부탄싸이올 흡착 반응성은 금 나노입자에서 산화실리콘 표면으로 전자가 이동하면서 생기는 금 나노입자의 금속-비금속 전이와 관련이 있으며, 산화 반응성의 경우는 금 나노입자의 구조적 특징과 관련이 있음을 확인하였다. 1차원 금속선의 물성을 연구하기 위하여 선택한 Au/Si(557) 표면 구조는 페르미 준위 근방에 존재하는 두 개의 표면 전자 띠 구조가 스핀-전하 분리 현상을 보여준다는 논문[Nature 42, 504-507 (1999)]이 발표된 이후로 많은 연구가 수행되어온 주제이다. 이후 발표된 논문에서 각도분해광전자 분광법을 사용하여 두 개의 표면 전자 띠 구조가 페르미 준위에서 잘 갈라지는 특성을 보임이 보고되면서 스핀-전하 분리 현상은 아님이 확인된바 있다. 2003년에는 Au/Si(557) 구조의 표면 띠 구조는 서로 특성을 가지는 두 개의 표면 띠 구조 즉, 금속성을 지니며 저온에서 파이얼스 금속-비금속 전이 특성을 보이는 S1 과 상온과 저온에서 공히 비금속성을 보이는 S2 두개의 띠 구조로 이루어져 있음이 보고된 바 있다[Phys. Rev. Lett. 91, 196403 (2003)]. 서로 인접한 두개의 전자 띠 구조가 온도 변화에 따라서 서로 다른 특성을 보이는 것은 매우 흥미로운 결과로, 이러한 특성을 각도분해 광전자 분광법을 이용하여 자세히 살펴 보았다. 우리의 띠 구조 분석 결과에 따르면, 표면에 존재하는 두 개의 띠 구조 S1 과 S2 는 온도 변화에 따라서 같은 특성을 가짐을 명확하게 확인하였으며 둘 모두 83 K <= T <= 300 K 의 온도 영역에서 금속성을 가지고 있음이 잘 정의된 페르미-디락 끝머리를 가지고 있음을 통하여 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 이전에 보고된 것과 같은 Tc = 273 K 에서의 파이얼스 금속-비금속 전이는 존재하지 않음을 결론 내렸으며, 이러한 이전 결과와의 차이점이 생기는 이유에 관하여 설명하였다. 이러한 금속성은 1차원 플라즈몬 특성을 보여주는 Au 4f 2/7 의 원자 속 준위의 위성봉우리 존재를 통하여 다시 한번 확인 하였다. 2차원 전자 구조물을 연구하기 위하여, 실리콘 표면에 형성된 철 실리사이드 나노막 의 전기적 구조적 특성을 탐구하였다. 철 원자가 흡착된 Si(111) 7x7 표면에서 3 접기 대칭 1x1 과 6 접기 대칭 2x2 두 개의 안정적인 철 실리사이드 나노막 이 형성됨을 확인하였으며 각각의 구조에 대하여 전자 띠 구조를 각도분해 광전자 분광법을 이용하여 획득하였다. 또한 제 1원리 계산을 통하여 가장 낮은 에너지를 가지는 원자 구조 모형과 전자 띠 구조를 확인하였다. 계산 결과에 따르면, 1x1 구조는 철-실리콘 결합에 의하여 형성된 하나의 평평한 표면 전자 띠 구조와 두번째와 세번째 층에 존재하는 실리콘 원자들의 결합에 의하여 생긴 선형 분산 관계를 가지는 두개의 전자 띠 구조를 가지고 있으며, 2x2 구조는 철-실리콘 결합에 의하여 형성된 세개의 평평한 전자 띠 구조로 구성되어 있다. 이러한 계산 결과는 앞선 실험 결과를 잘 설명하고 있다. 계단 구조를 가지는 Si(553) 표면에 철원자를 흡착시켜 형성되는 나노 막대의 전기적 구조적 특징 또한 연구하였다. 나노막대 구조는 막대 방향으로는 x4 주기성을 가지며 막대 간의 위치 관계성은 없음을 확인하였고, 전자 띠 구조 분석을 통하여 페르미 준위 아래로 0.8 eV 와 2.0 eV 근방에서 평평한 전자 띠 구조를 가짐을 확인하였다.

Electrons confined in low-dimensional structures show several distinct properties compared to conventional three-dimensional (3D) structures mainly due to the enhanced electron-electron correlation interaction. Quantum well states, Peierl's type metal-insulator transition (MIT), and Luttinger liquid properties such as spin-charge separation are some of such non-Fermi liquid properties, which can not be explained in terms of the so-called Fermi Liquid theory. As an attempt to understand such non-Fermi liquid properties for some of low-dimensional interacting electrons system, we have investigated structural as well as electronic properties of three representative interacting electrons systems including the size-dependent reactivity of zero-dimensional(0D) gold (Au) nano-particles on silica surface, the enigmatic electrical properties of the 1D Au/Si(557) system, and the 2D Fe silicide nano-film formed on silicon surfaces. We have utilized three surface-sensitive experimental tools for this study such as angle-resolved ultraviolet photoemission spectroscopy (ARUPS), synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SRPES) to measure electronic properties, and low-energy-electron diffraction(LEED) to study atomic morphology and degree of order.As an example of 0D interacting electrons systems, we have examined the change in chemical reactivity of Au nanoparticles formed on silica surface as a function of particle size. We find that butanethiol adsorption- and oxidation-reactivity of Au nanoparticles show a critical size where the reactivity sensitively changes

i.e., the reactivity first increases with reducing the size mostly due to the increased surface-to-volume ratio, but then it begins to decreas below the critical size. The relevant critical sizes are found to be 0.8 nm for the adsorption- and 3.0 nm for the oxidation reactivity. The butanethiol adsorption-reactivity is associated with the metal-insulator transition upon changing the size arising from the negative charge transfer from Au nanoparticles to the silica substrate surface, while the oxidation-reactivity with the structural change of nanoparticles.The Au/Si(557) surface chosen as a 1D interacting electrons system, has been studied extensively since the early claim [Nature 402, 504-507 (1999)] as being a Luttinger liquid system revealing the spin-charge separation by the two proximal surface bands S1 and S2. Although the claim has been denied soon when the two bands appear to be well split at Fermi level with finite spectral intensities by the subsequent ARPES study, the intriguing nature of this system was revitalized when the two bands were reported to have different features with temperature

metallic S1 and insulating S2 at room temperature [Phys. Rev. Lett. 91, 196403 (2003)] and S1 undergoes a Peierls type MIT. Because it is interesting to see such neighboring two proximal bands with different behaviors with temperature, we have carefully redone the ARPES measurements as a function of temperature. Our band data, however, unambiguously reveal that both bands behave nearly identically with temperature, and remain metallic for a temperature range 83 K =< T <= 300 K exhibiting well-defined Fermi-Dirac edges. We thus exclude the presence of a Peierls-type MIT with Tc=273 K claimed earlier and discuss possible causes for the difference. The metallic nature of these bands is further illustrated by the presence of a satellite peak in the Au 4f 7/2 core level reflecting the 1D plasmon excitation.In order to study 2D interacting electrtons system, we have also investigated structural and electronic properties of Fe silicide nano-films formed on silicon surfaces. When Fe atoms are adsorbed at room temperature on the 7x7 Si(111) surface, we find two stable Fe silicide nano-films, a 3-fold 1x1 and a 6-fold 2x2. We have measured the energy-momentum band dispersions of both ordered phases. We have calculated the minimum energy configurations of the ordered phases and their band structures by using density-functional theory (DFT). Our calculated band structure for the 3-fold 1x1 phase shows one flat surface band stemming from Fe-Si hybridization, and two linear bands originating from the 2nd and the 3rd layer Si atoms. For the 2x2 phase, we find 3 flat surface bands from the Fe-Si hybridization, which may explain the experimental bands. Structural and electronic properties of the Fe silicide nanorod formed on the stepped Si(553) surface have also been studied. The nanorods are found to have a x4 periodicity along the rod direction, and apparently with no inter-rod correlation. We have also obtained experimental electronic band structures and find are one flat band at 0.8 eV below the Fermi level and another slightly dispersive band near 2.0 eV.