半導体表面に吸着した有限領域金属原子層に生ずる低次元電子励起

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13640315
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 稲岡 毅 岩手大学, 工学部, 助教授 (40184709)
• 研究分担者: 長尾 忠昭 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (40267456)
• キーワード: 半導体表面 / 金属原子層 / 低次元電子励起 / 縁プラズモン / 面積プラズモン / エネルギー分散 / 誘起電荷密度分布 / エネルギー損失強度

研究概要

Si(111)-7×7表面にAgを単原子層吸着させてできるSi(111)-√<3>×√<3>-Ag表面の表面電子バンドの電子系は、理想的な2次元伝導電子系(2DES)を形成する。この2DESは、ステップや逆位相境界で囲まれた√<3>×√<3>-Agドメイン内に閉じ込められる。このような電子系の励起は、低次元性、量子サイズ効果、及び縁励起と面積励起の存在という興味深い問題を含んでいる。前年度より、局所密度汎関数法を用いて、幅一定D、長さ無限の帯状領域にある2DESに生ずる低次元プラズモン(LDPL)を調べている。今年度は、幅Dを変えていったときのLDPLの物性の移り変わり、及び高分解能電子エネルギー損失分光(HREELS)によるLDPLの測定の可能性について解析した。
一番エネルギーの低いプラズモン(PL)分枝は、帯状領域の縁付近に誘起電子密度δnが集中する縁プラズモンである。Dが小さくなると、帯の長さ方向の波数qが小さい領域に、1次元PLの分散が明瞭に現れる。これよりもエネルギーの高い各分枝では、qが小さいとき、δnの分布が縁を自由端とする定在波を形成する。qが大きくなるにつれて、帯状領域の内部のδnが重要な寄与をするようになり、面積プラズモン(APL)の特徴が強まっていく。Dが大きいとき、分枝間のエネルギー間隔が小さく、qが大きくなるとPLモードは速やかにAPLに移行する。Dが小さいときは、分枝間のエネルギー間隔が著しく大きく、qが大きくなるまで定在波型が持続する。
HREELSの実験と関連した解析を行ったところ、エネルギー損失スペクトルには一連のLDPLによる損失ピークが明瞭に現れ、プローブ電子の軌道が帯状領域の近傍にあれば、測定可能な損失強度があることが分かった。ただ、実際の入射電子線の幅が帯状領域の幅より大きいことを考えると、無数の帯状領域が平行に並んだ系を用いる必要があると考えられる。

研究成果

• [文献書誌] T.INAOKA, T.NAGAO, S.HASEGAWA, T.HILDEBRANDT, M.HENZLER: "Two-Dimensional Plasmon in a Metallic Monolayer on a Semiconductor Surface : Exchange-Correlation Effects"Physical Review B. 66・24. 245320 (2002)
• [文献書誌] Takeshi INAOKA: "Characteristics of Low-Dimensional Plasmons in a Metallic Strip Monolayer on a Semiconductor Surface"Physical Review B. 68・4. 41301(R) (2003)
• [文献書誌] Takeshi INAOKA: "Low-Dimensional Plasmons in a Metallic Strip Monolayer on a Semiconductor Surface"Journal of the Physical Society of Japan. (発表予定). (2004)
• [文献書誌] T.NAGAO, T.HILDEBRANDT, M.HENZLER, S.HASEGAWA: "Dispersion and Damping of a Two-Dimensional Plasmon in a Metallic Surface-State Band"Physical Review Letters. 86・25. 5747-5750 (2001)
• [文献書誌] S.ABE, T.INAOKA, M.HASEGAWA: "Evolution of Electron States at a Narrow-Gap Semiconductor Surface in an Accumulation-Layer Formation Process"Physical Review B. 66・20. 205309 (2002)
• [文献書誌] M.YAMAGUCHI, T.INAOKA, M.HASEGAWA: "Electronic Excitations in a Nonparabolic Conduction Band of an n-Type Narrow-Gap Semiconductor"Physical Review B. 65・8. 85207 (2002)
• [文献書誌] Takeshi INAOKA: "Size-Dependent Evolution of Conduction-Electron Excitations in Small Spherical Particles : in"Clusters and Nanomaterials", eds. Y.KAWAZOE et al."Springer-Verlag. 323-339 (2002)