圖1: 二維鉛薄膜I(1X1) 及晶格結構的示意圖。

圖2: 二維鉛薄膜隨厚度變化的低能量電子繞射圖。

圖3: 二維鉛薄膜隨厚度變化的角度分辨光電子能譜。

金屬薄膜能夠無視於晶格常數很大的差異而在半導體基底上平整地長成，並且保有原本的晶格常數，多年來一直是個很大的謎。過去科學家不是忽視它的原因就是單純的假想，很大的晶格常數差異造成金屬薄膜就有如沒有基底之獨立薄膜。最近出版在物理頂尖期刊(PRL)的論文中， 唐述中及其合作者從鉛薄膜長在鍺(III)面的研究發現了解決這個謎的一重大線索。他們證明鉛薄膜(1X1)晶格不相稱地與鍺(1X1)平行成長，是因為受到另一神祕的驅動力影響而執行磊晶成長，而這就是電子的匹配。完美的電子匹配會造就薄膜量子井態與基底半導體邊緣能帶的最大交互結合作用，進而減低整個系統的能量。

鉛的晶格常數4.92Å與鍺的5.65Å有很大的晶格差異13%，然而如果鉛薄膜從I(1X1)的結構旋轉30度，鉛(2X2)的單位晶格就會與鍺基底  單位晶格形成很好的匹配(圖1)。低能量電子繞射(LEED)測量顯露出薄膜的成長方向如圖2。單純Ge(111)-C(2X8)以及Pb/G(111)-   R30°的繞射點形式建立了參考的方向及強度量值比例。當鉛鍍到二層時   R30°的形式完全消失，微弱的G(111)-(1X1)基底的形式仍然保留並伴隨6個朝同一方向稍微擴大的短的弧狀紋。

這六個弧狀紋與中心的半徑指出它們代表著I(1X1)的鉛薄膜。但是很明顯地當薄膜成長到第三層時   區塊的薄膜再出現並隨更高的厚度而愈來愈主宰。二維鉛薄膜2、4、6、8、15層沿著方向的角度分辨光電子能譜如圖三所示。在2層時，因為鉛及鍺電子態互相強烈的交合作用以及從光電子探索深度下的鍺電子態貢獻，能譜形式很像K動量解析的一維鍺塊材能帶的電子態密度。

在更高的4至15層時，光電子能譜變得非常不同，因而使用安德森電子交互作用模型來模擬間斷的鉛量子井態及連續的鍺電子態交合作用所產生的能譜。紫色實曲線代表鉛未與鍺電子態交互作用前的純量子井態能帶。兩種因素在互相競爭。一個是界面的能量。它與厚度無關且喜歡晶格匹配的  結構。另外一個是電子能量，與量子侷限效應有關。它會隨著薄膜厚度增加而成1/N形式的遞減，並且依賴於Pb-Ge界面互相交合作用的程度。因為電子匹配而產生的強烈交合作用，會降低侷限效應並導致較低的系統能量。作者很有說服力的從對稱性的考慮主張，I(1X1)結構比   結構有更好的電子匹配。因此I(1X1)結構在薄膜低厚度時，最被為喜愛。

唐述中及其合作者所建立的一般性了解對於設計使薄膜平整地以特定結構成長非常有重要性，而特定結構的平整薄膜更是薄膜電子性質的重要關鍵。

參考文獻