反鐵磁軸子絕緣體候選材料EuIn2As2的表面原子排布和電子結(jié)構(gòu)*

李淵 鄧翰賓 王翠香 李帥帥 劉立民 朱長(zhǎng)江 賈可 孫英開(kāi) 杜鑫 于鑫 關(guān)童 武睿3) 張書(shū)源 石友國(guó)3)5) 毛寒青?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

3)(松山湖材料實(shí)驗(yàn)室,東莞 523808)

4)(康奈爾大學(xué)物理系,伊薩卡 14853)

5)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,北京 100049)

非平庸的能帶拓?fù)湫耘c磁性結(jié)合可以產(chǎn)生豐富的量子現(xiàn)象,包括量子反?；魻栃?yīng)、軸子絕緣體態(tài)等.不同于磁性摻雜和異質(zhì)結(jié)方案,內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體避免了摻雜帶來(lái)的無(wú)序,且制備工藝通常比異質(zhì)結(jié)更加簡(jiǎn)單,因此對(duì)研究和利用磁性拓?fù)浣^緣體都有重要的意義.最近,EuIn2As2 被認(rèn)為是內(nèi)稟反鐵磁軸子絕緣體,本文使用低溫掃描隧道顯微鏡研究了它的解理表面的原子排布和電子結(jié)構(gòu).結(jié)合原子分辨形貌圖、晶格對(duì)稱性分析以及局域態(tài)密度等信息,認(rèn)為觀測(cè)到的表面條紋結(jié)構(gòu)來(lái)源于Eu 截止面50%覆蓋度的 1 ×2 表面重構(gòu).通過(guò)條紋面的局域態(tài)密度測(cè)量,發(fā)現(xiàn)4 K 時(shí)費(fèi)米能附近態(tài)密度存在非對(duì)稱的谷-峰特征,該特征隨溫度升高逐漸變?nèi)?在反鐵磁相變溫度以上完全消失,表明其與反鐵磁序密切相關(guān).此外,在某些臺(tái)階附近,伴隨有少量迷宮狀的結(jié)構(gòu),進(jìn)一步分析認(rèn)為可能是Eu 原子形成的翹曲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的.這些結(jié)果為理解EuIn2As2的表面能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)提供了重要信息.

1 引 言

磁性與拓?fù)浣Y(jié)合可以產(chǎn)生新奇的量子現(xiàn)象[1],比如量子反?；魻栃?yīng)[2]、軸子絕緣體態(tài)[3]、手性馬約拉納費(fèi)米子[4]等.實(shí)現(xiàn)這些拓?fù)湎嘤袃煞N廣為人知的途徑,分別是磁性摻雜和構(gòu)造異質(zhì)結(jié)(拓?fù)浣^緣體/磁性薄膜)[5,6].然而前者會(huì)給材料引入無(wú)序;后者需要復(fù)雜的制備流程,進(jìn)而影響對(duì)材料性質(zhì)的研究和應(yīng)用.規(guī)避上述問(wèn)題的一個(gè)直接辦法,是尋找具有確定化學(xué)計(jì)量比,且具有內(nèi)稟磁序的拓?fù)浣^緣體,即內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體.

過(guò)去幾年,理論預(yù)言了一些內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體,包括MnBi2Te4家族系列[7?9]以及EuIn2As2,EuSn2As2,EuSn2P2等含Eu 系列材料[10?12].其中,EuIn2As2具有內(nèi)稟的反鐵磁序,早先的磁測(cè)量結(jié)果顯示它的磁結(jié)構(gòu)可能是A 型反鐵磁,即Eu 原子在層內(nèi)是鐵磁耦合,相鄰Eu 層之間是反鐵磁耦合,材料的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度TN約為18 K[13?16].理論預(yù)言在反鐵磁相下它是軸子絕緣體,磁性原子的自旋取向決定了它所處的拓?fù)鋺B(tài):當(dāng)自旋沿著ab面內(nèi)時(shí),它是具有無(wú)能隙表面態(tài)的拓?fù)渚w絕緣體;當(dāng)沿著c方向時(shí),它是具有一維棱態(tài)(hinge state)的高階拓?fù)浣^緣體[10].最新的中子衍射實(shí)驗(yàn)認(rèn)為,EuIn2As2可能具有更復(fù)雜的螺旋形反鐵磁序,具有C2×T的對(duì)稱性,計(jì)算表明它將具有受此對(duì)稱性保護(hù)的無(wú)能隙表面態(tài)[17].實(shí)驗(yàn)上,霍爾測(cè)量顯示載流子為空穴[13,18],角分辨光電子能譜(angle resolved photoemission spectroscopy,ARPES) 觀測(cè)到以布里淵區(qū)G點(diǎn)為中心的空穴型費(fèi)米口袋[13,18,19]以及重空穴摻雜的表面態(tài)[18],表明EuIn2As2拓?fù)浔砻鎽B(tài)位于費(fèi)米能以上的未占據(jù)態(tài).在變溫ARPES中,不同小組在反鐵磁相變前后觀測(cè)到了不同的能帶結(jié)構(gòu)[18,19].而表面電子態(tài)的測(cè)量結(jié)果與解理面的結(jié)構(gòu)直接相關(guān),理論上對(duì)表面能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算和預(yù)言也依賴于對(duì)表面結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[20].作為研究表面結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)手段,掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM) 對(duì)EuIn2As2的研究還未見(jiàn)報(bào)道.

本文利用STM,研究了EuIn2As2單晶解理表面的結(jié)構(gòu).STM 形貌圖表明,材料的解理面以條紋狀的有序結(jié)構(gòu)為主,結(jié)合原子分辨的STM 形貌圖、晶格對(duì)稱性分析以及掃描隧道譜(scanning tunneling spectroscopy,STS) 信息,認(rèn)為條紋面起源于Eu 截止面50%覆蓋度形成的表面重構(gòu).通過(guò)對(duì)條紋面態(tài)密度的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)費(fèi)米能附近的態(tài)密度隨溫度的演化與反鐵磁相變有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)特征.此外,在臺(tái)階邊緣附近偶爾觀測(cè)到少量迷宮狀結(jié)構(gòu),通過(guò)分析原子像與臺(tái)階高度,認(rèn)為它可能是Eu 原子形成的翹曲結(jié)構(gòu).作為表面能帶計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的橋梁,對(duì)表面結(jié)構(gòu)的測(cè)定為理解EuIn2As2的表面電子結(jié)構(gòu)以及拓?fù)湫再|(zhì)提供了重要線索.

2 實(shí)驗(yàn)方法

EuIn2As2單晶采用自助熔方法生長(zhǎng),選擇In作為助熔劑,以摩爾比Eu∶As∶In=1∶3∶12 進(jìn)行配比,將原材料放入氧化鋁坩堝,然后裝進(jìn)石英管中,此操作在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行.將封裝好的石英管經(jīng)過(guò)12 h 升到1100 ℃,保持12 h,以1 K/h的速率降溫至700 ℃,然后迅速離心甩出多余的助熔劑In,得到六方片狀單晶.

測(cè)量所用儀器是一臺(tái)自主搭建的低溫掃描探針顯微鏡,兼具掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)的功能.樣品在低溫超高真空環(huán)境下解理,解理溫度約20 K.如不加特殊說(shuō)明,掃描頭的基礎(chǔ)溫度是4.2 K.實(shí)驗(yàn)使用電化學(xué)腐蝕的W 針尖,并在Au 靶上做場(chǎng)發(fā)射處理.STM 形貌圖在恒流模式下獲取.STS 采用標(biāo)準(zhǔn)的鎖相放大技術(shù)獲取,調(diào)制電壓頻率為781.1 Hz.AFM 測(cè)量基于qPlus 傳感器,采用非接觸調(diào)頻模式.

3 結(jié)果與討論

EuIn2As2具有P63/mmc空間群,Eu2+陽(yáng)離子層與[In2As2]2–結(jié)構(gòu)沿著c方向交替堆疊,如圖1(a)所示.晶格常數(shù)為a=4.2 ?,c=17.9 ?.最近鄰Eu層的間距為c方向晶格常數(shù)的一半,c/2=8.95 ?.在[In2As2]2–結(jié)構(gòu)內(nèi)部,In—In 和In—As 為共價(jià)結(jié)合,Eu2+與上下層的As 之間是離子結(jié)合[14].這種結(jié)構(gòu)與CaKFe4As4類似,Eu 類似于Ca 和K,可以被看成是插層原子[21].從能量角度看,EuIn2As2存在兩個(gè)易斷鍵位置:In—In 鍵,斷裂后形成In的六角格子表面;或者Eu—As 鍵,斷裂后形成Eu 或者As的截止面.圖1(b)是單晶X射線衍射的結(jié)果,可以看到一系列清晰的(00L) 晶面衍射峰,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)使用的晶體擁有很高的質(zhì)量.

圖1(c)是解理后的EuIn2As2樣品表面的STM形貌圖.可以看到,圖中存在一個(gè)凸臺(tái)狀的臺(tái)階,圖1(c)中的插圖顯示了形貌圖中沿黃線的高度輪廓,可以看到臺(tái)階的高度約為8.95 ?=c/2.經(jīng)過(guò)大量觀測(cè),絕大多數(shù)相鄰臺(tái)階的高度差為c/2 或其整數(shù)倍.臺(tái)階表面是亮暗條紋構(gòu)成的有序結(jié)構(gòu),如圖1(d)所示,以下稱之為條紋面.極少數(shù)情況下,觀測(cè)到一種條紋方向多變、形似迷宮的表面,以下稱之為迷宮面.如圖1(e)所示,左下角高亮的區(qū)域是上層臺(tái)階,下層臺(tái)面最右側(cè)是常見(jiàn)的條紋面,在條紋面與上層臺(tái)階之間是迷宮面.兩種表面沿著黃線的高度輪廓如圖1(e)的插圖所示.可以看到迷宮面起伏較大,亮暗條紋高度差約1 ?,而條紋面起伏小,亮暗條紋高度差約0.1 ?.簡(jiǎn)潔起見(jiàn),以下用迷宮面亮條紋的高度指代迷宮面的高度.迷宮面比條紋面高約1 ?,迷宮面的暗條紋與條紋面表觀高度相當(dāng).

圖1 EuIn2As2的晶格結(jié)構(gòu)和表面形貌 (a) EuIn2As2的晶格結(jié)構(gòu)示意圖,圖中所示Eu—Eu,Eu—In,In—As 原子層間距分別是8.95,3.07,3.96 ?;(b) EuIn2As2的X射線衍射圖案,插圖是典型EuIn2As2 單晶的照片;(c) 包含臺(tái)階的大范圍STM 形貌圖(Vs=1 V,I=100 pA),插圖是沿著圖中黃線所標(biāo)示位置的高度輪廓,臺(tái)階高度8.95 ?,與晶格常數(shù)的一半 c/2=8.95 ? 一致;(d) 典型的條紋面STM 形貌(Vs=1 V,I=1 nA);(e) 包含迷宮狀結(jié)構(gòu)的STM 形貌圖(Vs=–200 mV,I=20 pA),圖中左下角為上層臺(tái)階,右側(cè)為條紋面,插圖是沿著圖中黃線所標(biāo)示位置的高度輪廓,迷宮面與條紋面高度差約1 ?Fig.1.Crystal structure and surface morphologies of EuIn2As2.(a) Schematic crystal structure of EuIn2As2,where the interlayer distance Eu—Eu,Eu—In,and In—As is 8.95,3.07,and 3.96 ?,respectively.(b) X-ray diffraction pattern of EuIn2As2 crystal.The inset is a picture of typical EuIn2As2 single crystal.(c) Large scale STM topography showing step edges(Vs=1 V,I=100 pA).Inset is the height profile along yellow line,the step height is 8.95?,which is consistent with half unit cell c/2=8.95 ?.(d) STM topography of typical stripe surface(Vs=1 V,I=1 nA).(e) STM topography containing a maze-like structure(Vs=–200 mV,I=20 pA),which is located between a higher step(left bottom) and a stripe surface(right part).The inset is the height profile along yellow line.The step height between maze-like surface and stripe surface is about 1 ?.

如果材料解理時(shí),兩種可能斷鍵的位置(In—In鍵和Eu—As 鍵) 都發(fā)生斷裂,將會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的臺(tái)階高度,如In 和Eu 面的臺(tái)階高度3.07 ?,In 和As面的臺(tái)階高度3.96 ?等,如圖1(a)所示,大量實(shí)驗(yàn)中從未觀測(cè)到這些臺(tái)階高度.因此可推測(cè)樣品只在In—In 或Eu—As 中一處斷鍵.為了探究解理面的截止情況,本文對(duì)兩種表面結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的研究.

圖2(a)是條紋面上獲得的STM 形貌圖,可以看到亮條紋覆蓋整個(gè)表面.條紋上存在一些轉(zhuǎn)折和空洞構(gòu)成的斷點(diǎn),這導(dǎo)致亮條紋表現(xiàn)為不連續(xù)的線段.但條紋整體呈現(xiàn)一定的方向性,這種方向性可以在微米尺度保持.圖2(b)是同一區(qū)域的原子分辨STM 形貌圖,亮條紋內(nèi)原子間距為晶格常數(shù)a,亮條紋間原子間距約7.27 ?,這個(gè)數(shù)值符合EuIn2As2面內(nèi)六角格子的次近鄰原子間距,圖2(b) 中標(biāo)注了晶格常數(shù)為a的六角格子點(diǎn)陣,可以看出條紋面具有1 × 2 重構(gòu).圖2(c) 是圖2(a)的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT),圖中黃色箭頭標(biāo)注的兩個(gè)銳利的點(diǎn),源于形貌圖中的平行條紋,紅圈中的6 個(gè)紅點(diǎn)是圖2(b)中標(biāo)注的六角格子對(duì)應(yīng)的布拉格點(diǎn).二者對(duì)比,這兩個(gè)銳利的點(diǎn)恰好位于G點(diǎn)到布拉格點(diǎn)的中點(diǎn)位置,再次表明亮條紋具有固定的間距,其間距為次近鄰原子的間距.FFT 中銳利的點(diǎn)旁邊存在較暗的橫線,它源于條紋的之字形轉(zhuǎn)折,沿著圖2(a)中的紅色虛線方向,亮條紋轉(zhuǎn)折前后錯(cuò)位半個(gè)周期.

圖2 條紋面的結(jié)構(gòu) (a) 條紋面的STM 形貌(Vs=1 V,I=200 pA),沿圖中紅色虛線條紋轉(zhuǎn)折一次錯(cuò)位半個(gè)周期,深藍(lán)色區(qū)域?yàn)楸砻嫒毕?(b) 條紋面的原子分辨像(Vs=–2 mV,I=1 nA),紅色平行四邊形表示重構(gòu)后的原胞,紅色點(diǎn)陣代表面內(nèi)晶格格點(diǎn);(c) 圖(a)的FFT,黃色箭頭所示為條紋的周期,紅色圓圈標(biāo)注的六個(gè)紅點(diǎn)代表圖(b)所標(biāo)注六角格子的布拉格點(diǎn);(d)條紋面的原子排布示意圖,暗紅色球代表觀測(cè)到的Eu 原子,紅色虛線圓圈代表亮條紋之間丟失的Eu 原子,黑色/黃色點(diǎn)代表Eu 層以下的As/In 原子;(e)跨條紋面上空位缺陷的STS 譜,插圖中紅線標(biāo)出了測(cè)譜位置,測(cè)譜條件為Vs=400 mV,I=200 pA,調(diào)制電壓幅度5 mV,圖中黃色虛線幫助示意STS 曲線中的特征隨空間的演變Fig.2.Structure of stripe surface.(a) STM topography of stripe surface(Vs=1 V,I=200 pA),the stripe shifts half unit cell along the red dashed line.Dark blue areas are surface defects.(b) Atomic resolved STM image of stripe surface(Vs=–2 mV,I=1 nA),the red parallelogram shows the doubled unit cell,the red spots are superposed in-plane lattice structure.(c) FFT image of panel(a).The stripe modulation is marked by yellow arrows.The superposed six red dots marked by dashed red circles are the simulated Bragg points of the inserted hexagonal lattice in panel(b).(d) Schematic drawings of atomic arrangement on the stripe surface.Dark red spheres show the observed Eu atomic chain,dashed red circles show the missing Eu atoms between light stripes,black/yellow dots show the As/In atoms beneath the Eu layer.(e) STS taken across a vacancy in a stripe surface,the position is marked as the red line in the inset topographic image.Spectra are taken at Vs=400 mV,I=200 pA,with modulation 5 mV.The yellow dashed lines are guided for the spatial evolution of STS.

原子可以通過(guò)形成雙聚體以減少懸掛鍵,進(jìn)而形成條紋結(jié)構(gòu),比如半導(dǎo)體Si(100) 2 × 1的重構(gòu)[22,23].EuIn2As2的原子分辨形貌圖表明亮條紋不是雙聚體,而是單原子鏈.在亮條紋之間,沒(méi)有觀測(cè)到輪廓清晰位置明確的原子像,對(duì)應(yīng)丟失的原子鏈.可見(jiàn)樣品表面形成1 × 2 非保守重構(gòu)(nonconservative reconstruction),只有50%覆蓋度,如圖2(d)所示.如果樣品在In—In 處解理,斷鍵后In原子將形成100%覆蓋度的表面,與觀測(cè)結(jié)果不符.因此,可以推測(cè)解理樣品在Eu—As 處斷鍵,形成了50%覆蓋度且具有1 × 2 重構(gòu)的Eu 原子表面.譜學(xué)研究進(jìn)一步確認(rèn)了截止面的原子種類.材料中的缺陷或元素替代可以帶來(lái)?yè)诫s效應(yīng),比如陽(yáng)離子的缺位導(dǎo)致空穴型摻雜,STS(dI/dV) 曲線將向高能方向移動(dòng).我們研究了EuIn2As2條紋面上廣泛存在的空洞,這些空洞在不同偏壓下都表現(xiàn)為凹坑,因此認(rèn)為空洞對(duì)應(yīng)原子的缺位.圖2(e)是條紋面上從遠(yuǎn)離缺陷位置到空洞的STS,隨著向空洞靠近,STS 曲線整體向高能方向移動(dòng),大量的實(shí)驗(yàn)表明,空穴型摻雜的結(jié)論也適用于條紋面上其他尺寸的空洞,且空洞尺寸越大能量移動(dòng)越大.這與條紋面是Eu 面一致.

圖3(a)給出了條紋面上大能量范圍的STS,在–1.5 V 左右態(tài)密度開(kāi)始明顯抬升,與ARPES 實(shí)驗(yàn)[13,18]和理論計(jì)算[10,24]確定的Eu 4f 電子構(gòu)成的平帶對(duì)應(yīng).此外,條紋面上的STS 在費(fèi)米能附近會(huì)隨溫度演化.如圖3(b)所示,4.2 K 下材料處于反鐵磁相,費(fèi)米能附近態(tài)密度存在非對(duì)稱的谷-峰特征,隨著溫度升高態(tài)密度谷逐漸變平,在19 K 左右達(dá)到飽和,這個(gè)溫度與反鐵磁相變溫度TN接近,表明其與反鐵磁序密切相關(guān).在文獻(xiàn)[18]報(bào)道的變溫ARPES 實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了類似的現(xiàn)象:當(dāng)溫度T=6 K 時(shí),在G點(diǎn)費(fèi)米能以下0.1 eV 附近存在“M”型的能帶,并在費(fèi)米能附近打開(kāi)一個(gè)能隙;當(dāng)T=35 K 時(shí),“M”能帶演化為跨過(guò)費(fèi)米能的大展寬的能帶.通過(guò)STS 譜也觀測(cè)到正偏壓處的態(tài)密度峰伴隨反鐵磁相變而發(fā)生演化,如圖3(b)所示,隨著溫度升高,態(tài)密度峰被壓制,在18 K 以上達(dá)到飽和,表明其與反鐵磁相變有關(guān).而根據(jù)理論預(yù)測(cè)以及ARPES的觀測(cè)結(jié)果,與拓?fù)滢D(zhuǎn)變相關(guān)的能帶信息正位于費(fèi)米能以上,即正偏壓的位置.但是,由于表面重構(gòu)可以導(dǎo)致復(fù)雜的表面態(tài),STS 實(shí)驗(yàn)很難直接識(shí)別出拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài),需要結(jié)合理論計(jì)算等做進(jìn)一步的分析.

圖3 條紋面上的STS (a) 大能量范圍的STS,采譜條件為Vs=–1.7 V,I=1 nA,調(diào)制電壓為10 mV;(b) 不同溫度的STS,采譜條件為Vs=–250 mV,I=200 pA,調(diào)制電壓為5 mVFig.3.STS on stripe surface:(a) Large energy range STS,where the spectrum is taken at Vs=–1.7 V,I=1 nA with modulation 10 mV;(b) STS taken at different temperatures,where the spectra are taken at Vs=–250 mV,I=200 pA with modulation 5 mV.

在確定條紋面的情況后,可以進(jìn)一步討論迷宮面的結(jié)構(gòu)特征.在少數(shù)臺(tái)階內(nèi)邊緣附近(即靠近相鄰更高臺(tái)階的區(qū)域),可以觀測(cè)到如圖1(e)所示的迷宮結(jié)構(gòu),其尺度通常小于20 nm.圖4(a)是迷宮面的原子分辨形貌圖.可以看到迷宮面沒(méi)有顯著的空洞缺陷,亮條紋由單原子鏈組成,原子鏈在nm尺度發(fā)生方向的改變,在每個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)亮條紋方向改變120°.

圖4(a)中左上角的插圖是形貌圖對(duì)應(yīng)的FFT,圖中外圍6 個(gè)清晰的點(diǎn)與布拉格點(diǎn)一致,這表明亮條紋中的原子位于六角格子上.在更高分辨的原子像(如圖4(b))中,觀測(cè)到鏈內(nèi)原子間距為晶格常數(shù)a,平直亮條紋的間距為,在亮條紋間的暗縫中也存在原子,這些原子位于圖中紅色矩形的中心位置,與亮條紋上的原子一道構(gòu)成完整的六角格子.從對(duì)稱性角度分析,如果暗縫中看到的原子來(lái)自晶格的下一原子層,那么它應(yīng)該位于矩形的邊長(zhǎng)上.所以,一種更自然的情況是,所有原子來(lái)自同一原子層,但是原子發(fā)生了c方向的上下的翹曲,導(dǎo)致亮暗條紋的出現(xiàn).這種程度的上下翹曲在其他材料中也有報(bào)道,如Si 和Ge(111) 2 × 2 表面分別發(fā)生了0.52 和0.8 ?的翹曲[25],而B(niǎo)aFe2As2的As 原子面翹曲高度約0.1 ?[26].

臺(tái)階高度是分析不同原子面的重要參數(shù).但STM 所測(cè)的表觀高度容易受費(fèi)米能附近的局域態(tài)密度影響,而AFM 形貌更接近原子實(shí)的實(shí)際位置[27].圖4(c)是STM 和AFM 在同一臺(tái)階區(qū)域的形貌圖,STM 測(cè)得迷宮面高出條紋面的表觀高度差(1.3 ?)與AFM的觀測(cè)結(jié)果(1.1 ?)基本一致,這表明STM 表觀高度差比較真實(shí)地反映了原子實(shí)的位置.迷宮面的原子不可能來(lái)自比Eu 更矮的原子層.若來(lái)自Eu 以上的As 原子層,意味著As—In共價(jià)鍵發(fā)生斷裂,這在能量上不支持,而且此處斷鍵應(yīng)產(chǎn)生豐富的臺(tái)階高度差,與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)不符.一種更合理的情形是,同一層的Eu 原子發(fā)生c方向的偏離,形成迷宮狀的翹曲結(jié)構(gòu).

迷宮面原子這種高低分布的構(gòu)型并不穩(wěn)定,微小的電壓脈沖可以改變迷宮面的局部原子排布.圖4(d) 和圖4(e) 是400 mV 電壓脈沖在紅圈位置作用前后,迷宮面的形貌變化,紅圈處條紋由連通變成斷點(diǎn),有趣的是,在距離針尖2 nm 遠(yuǎn)的黃圈處,條紋形狀由中斷變成連通.這個(gè)過(guò)程中,亮暗原子的個(gè)數(shù)沒(méi)有發(fā)生變化.針尖在迷宮面掃圖時(shí),當(dāng)偏壓大于500 mV,會(huì)持續(xù)改變迷宮面的形貌.對(duì)微弱電場(chǎng)的敏感表明迷宮面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,原子容易被針尖操縱.在Si(111)表面沉積金屬原子的實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到了類似的現(xiàn)象[28].需要指出,現(xiàn)有的觀測(cè)結(jié)果,并不能完全確定迷宮面的結(jié)構(gòu)起源.

圖4 迷宮面的結(jié)構(gòu) (a)迷宮面的原子分辨圖(Vs=10 mV,I=100 pA),插圖是相應(yīng)的FFT圖;(b)小范圍的原子分辨STM形貌圖(Vs=10 mV,I=100 pA),暗條紋中可以看到清晰的原子,原子位置圖中用黃球標(biāo)示;(c)迷宮面和條紋面臺(tái)階的AFM(上圖)和STM(下圖)形貌圖,圖中左側(cè)暗區(qū)為下層臺(tái)面,中部為條紋面,最右側(cè)為迷宮面,AFM/STM 觀測(cè)的臺(tái)階高度為1.1 ?/1.3 ?;(d),(e)迷宮面在電壓脈沖下的不穩(wěn)定性,在(d)中紅色圓圈內(nèi)施加400 mV的電壓脈沖,表面原子排布變?yōu)?e)圖所示,其中黃圈位置的原子由暗變亮,紅圈位置的原子由亮變暗Fig.4.Structure of the maze-like surface.(a) Atomic resolved STM image of maze-like surface(Vs=10 mV,I=100 pA),with corresponding FFT image inserted.(b) Small scale atomic resolved STM topography(Vs=10 mV,I=100 pA),atoms in the dark stripes,which are marked by yellow dots,are clearly visible.(c) AFM(up panel) and STM(down panel) topography of the step coexisting of maze(right) and stripe(middle) surface.Step height from AFM(STM) is 1.1 ?(1.3 ?).(d),(e) Surface topography evolution under a voltage pulse showing the metastability of the maze-like pattern.A 400 mV voltage pulse is applied in the red circle of panel(d),leading to a rearrangement of atoms in both red and yellow circles from panel(d) to panel(e).

類似EuIn2As2中迷宮面的特征,在很多表面沉積實(shí)驗(yàn)中都有報(bào)道,如C60/Cu(111)的迷宮狀圖案[29],Sn(1–x)-Six/Si(111) 中的馬賽克圖案[30].在六角格子的系統(tǒng)中,自旋阻挫是一個(gè)廣為人知的現(xiàn)象[31,32],C60/Cu(111),Sn(1–x)-Six/Si(111) 體系中所觀察到的迷宮/馬賽克結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種阻挫效應(yīng),利用蒙特卡羅模擬,二維六角格子上的反鐵磁伊辛模型能很好地復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[29,30].這些結(jié)果為分析EuIn2As2的迷宮面成因提供了線索,EuIn2As2可能是研究二維六角格子上反鐵磁伊辛模型的原子級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

4 結(jié) 論

本文用STM 研究了EuIn2As2的表面原子與電子結(jié)構(gòu).低溫解理的樣品表面,以條紋面為主,通過(guò)對(duì)表面結(jié)構(gòu)及局域電子態(tài)的分析,認(rèn)為條紋面是Eu 原子50%覆蓋度的1 × 2 重構(gòu)表面.對(duì)條紋面的STS 測(cè)量,觀測(cè)到費(fèi)米能附近態(tài)密度隨溫度演化,該演化與反鐵磁相變有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián).此外,解理面伴隨少量的迷宮狀結(jié)構(gòu),根據(jù)STM/AFM形貌圖,認(rèn)為它可能是Eu 原子形成的翹曲結(jié)構(gòu).對(duì)表面原子排布的準(zhǔn)確表征和對(duì)局域態(tài)密度的測(cè)量,為進(jìn)一步研究EuIn2As2的表面電子結(jié)構(gòu)以及可能的拓?fù)湫再|(zhì)提供了重要信息.

感謝中國(guó)科學(xué)院物理研究所翁紅明研究員、德國(guó)馬克斯-普朗克研究所徐遠(yuǎn)峰博士對(duì)材料拓?fù)湫再|(zhì)的討論,感謝中國(guó)科學(xué)院物理研究所方辰研究員、周毅研究員對(duì)迷宮面結(jié)構(gòu)的討論,感謝中國(guó)科學(xué)院大學(xué)張余洋副教授關(guān)于樣品解理位置的討論.