扫描隧道显微技术揭示半导体纳米区域对二维Pb/Si(111)体系宏观输运特性的调控机制

本研究发现Pb/Si(111)单层膜中台阶边缘的缺陷型3×3结构(d-3×3)呈现半导体特性，通过扫描隧道电位术(STP)证实这些纳米级半导体区域是体系电阻的主要来源，而金属性Pb岛可产生短路效应，揭示了局域纳米结构对二维体系宏观输运特性的决定性作用。

　　

在材料科学研究中，电子输运测量是表征材料性能的基本手段，然而传统方法难以解析局部特性与宏观输运行为之间的关联。特别是在二维体系中，相分布和缺陷（如台阶边缘、畴界等）的空间分布对输运性质具有重要影响，但衍射技术如低能电子衍射(LEED)仅能提供空间平均的结构信息。这使得建立表面原子结构与输运特性之间的明确关系成为挑战。

近日发表在《Applied Surface Science》的研究通过结合低温扫描隧道显微镜(STM)、扫描隧道谱(STS)和扫描隧道电位术(STP)技术，系统研究了Si(111)衬底上铅(Pb)单层膜的原子结构、电子态分布与输运特性之间的关系。研究发现台阶边缘形成的缺陷型3×3结构(d-3×3)具有半导体特性，这些纳米尺度的半导体区域是体系电阻的主要来源，而金属性Pb岛可以产生短路效应，显著改变局域电位分布。该研究揭示了纳米尺度结构对宏观输运性质的决定性作用，为理解低维体系中的输运机制提供了重要见解。

研究人员主要采用以下技术方法：利用超高真空环境制备Pb/Si(111)单层膜样品；通过低温扫描隧道显微镜(STM)获得原子分辨表面形貌；采用扫描隧道谱(STS)测量局部态密度(LDOS)；运用扫描隧道电位术(STP)在电流驱动下 mapping 纳米尺度电位分布；结合电阻网络模型进行数值模拟验证。

研究结果方面：

在原子结构与电子态特征部分，STM观察发现Pb单层膜平台区域主要为金属性√7 × √3相，而台阶边缘存在√3 × √3、3×3和缺陷丰富的d-3×3结构。STS测量表明√7 × √3、√3 × √3和3×3区域都显示金属特性，而d-3×3区域在费米能级附近存在约0.3 eV的能隙，呈现半导体行为。台阶边缘普遍被这种半导体性的d-3×3区域覆盖。

在电位分布与输运特性部分，STP测量显示在台阶边缘处存在显著的电位陡降，表明这些半导体区域是电阻的主要来源。通过正反方向电流驱动的电位测量相减，提取了纯电化学电位分布，消除了热电位和LDOS非线性引起的假象。研究发现某些台阶处没有检测到电阻，进一步观察发现这些台阶被金属性Pb岛桥接，形成了短路路径。

在模拟验证部分，通过电阻网络模型数值计算了包含 terrace 电阻(R_t)、step 电阻(R_s)和 island 电阻(R_i)体系的电位分布。模拟结果证实，即使 island 电阻与 terrace 相同，其短路效应也能使step处的电位降降低到实验分辨率以下，与观测结果一致。

研究结论与讨论指出，Pb/Si(111)单层膜中的宏观输运特性主要由纳米尺度的局域结构决定，特别是台阶边缘的半导体性d-3×3区域是电阻的主要来源。金属性Pb岛的存在会产生短路效应，显著改变局域电位分布。该研究强调了将原子尺度的结构、电子和输运表征技术相结合的重要性，为理解低维体系中的输运机制提供了新视角，对设计基于二维材料的电子器件具有指导意义。