撰稿 | 王惠瓊  鄭金成

諾貝爾物理獎(jiǎng)得主Herbert Kroemer教授曾在其獲獎(jiǎng)發(fā)言中談到：“界面即器件”。在后摩爾時(shí)代，微電子器件向集成化、智能化、數(shù)字化、小型化持續(xù)發(fā)展，不同電子材料薄膜間的集成，特別是其界面電子態(tài)，已成為決定器件性能的關(guān)鍵。

區(qū)別于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)界面，氧化物間界面通常包含原子再構(gòu)、電子態(tài)重構(gòu)、電荷自旋及軌道等自由度的耦合，新界面促成了新的物理現(xiàn)象，也催生了獨(dú)特的物理內(nèi)涵。然而，界面往往隱埋在氧化物材料內(nèi)部，易受相鄰體相材料的影響。傳統(tǒng)上認(rèn)為，表征表面電子性質(zhì)的光電子能譜方法因受電子平均自由程所限，無法探測(cè)到隱埋界面的電子態(tài)結(jié)構(gòu)。因此，如何表征界面區(qū)域的特殊電子態(tài)一直是表征科學(xué)的挑戰(zhàn)，也是納米科技的前沿研究領(lǐng)域。

為此，廈門大學(xué)和廈門大學(xué)馬來西亞分校的王惠瓊教授、鄭金成教授、康俊勇教授研究團(tuán)隊(duì)，以"Determination of the embedded electronic states at nanoscale interface via surface-sensitive photoemission spectroscopy"為題，在 Light: Science & Applications 上發(fā)表綜述文章。

圖源：該論文所屬課題組團(tuán)隊(duì)

該文系統(tǒng)回顧了用于隱埋界面態(tài)研究的表面敏感技術(shù)，包括硬X射線光電子能譜、共振軟X射線角分辨光電子能譜，以及隨薄膜厚度變化而演變的光電子能譜方法，強(qiáng)調(diào)了從“鞭短莫及”到“鞭長可及”的重要進(jìn)展。特別是結(jié)合前期的工作基礎(chǔ)，闡述了一種結(jié)合原位生長和光電子能譜表征技術(shù)的定量建模和分析方法，通過定量建模，將有助于深入分辨功能材料之間的界面電子態(tài)。參與相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)成員還包括李亞平博士，以及廈門大學(xué)馬來西亞分校的兩位本科生徐佳怡和藺嘯遠(yuǎn)。

光電子能譜(Photoelectron spectroscopy, PES)包括X射線光電子能譜 (X-ray photoelectronspectroscopy, XPS) 和紫外光電子能譜 (Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)，被視為研究電子結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法。但實(shí)驗(yàn)室所用X射線和紫外光射線能量較小，使得電子的平均自由程較短，只能探測(cè)到從表面區(qū)域逃逸的部分光電子，因此常規(guī)的光電子能譜通常被歸類為“表面敏感技術(shù)”，并無法真正觸及界面的電子態(tài)信息。為了突破“鞭短莫及”的局限，研究人員主要通過對(duì)光子能量、探測(cè)角度及薄膜厚度的分別調(diào)控（如圖1所示），使得“表面敏感”的光電子能譜技術(shù)也能運(yùn)用于隱埋界面的表征，最終實(shí)現(xiàn)了“鞭長可及”。

圖1 利用光電子能譜表征界面電子態(tài)的三種模式

實(shí)際運(yùn)用中，這三種方法通常結(jié)合使用，并發(fā)展出以下三種主要的界面電子態(tài)探測(cè)技術(shù)：

1. 變角度硬X射線光電子能譜

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室研究中，用于光電子能譜的X射線能量通常限于1486.7 eV（Al Kα輻射）或1253.6 eV（Mg Kα 輻射），同步輻射的發(fā)展使得調(diào)控光子能量成為可能，實(shí)現(xiàn)了從紅外到硬X射線寬光譜區(qū)間范圍的自由調(diào)節(jié)。選擇硬X射線或者激光光源能夠增長電子的非彈性平均自由程λ，從而可探測(cè)到隱埋界面，進(jìn)一步地，為了區(qū)分界面和薄膜的電子態(tài)信息，通常輔助改變探測(cè)方向的方法。材料的光電子能譜的探測(cè)深度為3λcosθ，其中，θ是檢測(cè)方向與表面法線之間的角度（如圖1所示）。能量模式和角度模式相結(jié)合的 XPS 作為一種無損方法通常用于表征超薄層的化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)。

2. 共振軟X射線角分辨光電子能譜

針對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的 UPS, 將入射光能量從紫外射線（小于100 eV）提升到軟X射線 (1 KeV左右)，同樣能夠增長電子的平均自由程，有利于探測(cè)界面的電子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，利用角分辨的能量分析器測(cè)量光電子數(shù)與出射角（名詞解釋>>>）的函數(shù)關(guān)系（動(dòng)量密度曲線），結(jié)合光電子數(shù)與出射動(dòng)能的函數(shù)關(guān)系（能態(tài)密度曲線），可以更全面地表征 K 空間的電子結(jié)構(gòu)信息。然而，光子能量的提升往往伴隨著光吸收截面的縮小，費(fèi)米能級(jí)附近的能量分辨率也隨之降低。一方面，利用同步輻射技術(shù)激發(fā)的光源由于其強(qiáng)的光通量能有效地補(bǔ)償這一不足；另一方面，通過將光子能量調(diào)諧到適當(dāng)?shù)奈者厑砑ぐl(fā)共振光電子能譜，可以選擇性地增強(qiáng)來自特定元素的具有給定對(duì)稱性的軌道的發(fā)射。因此，軟X射線角分辨光電子能譜 (ARPES) 與共振光激發(fā)的結(jié)合可以更好地表征費(fèi)米能級(jí)附近的能帶信息 。

3. 隨厚度變化的光電子能譜

捕獲隨薄膜厚度變化并跟蹤光譜特征演變的系列光電子能譜, 也是檢測(cè)界面的重要方法。該實(shí)驗(yàn)裝置需要集成的超高真空系統(tǒng)，包括原位的薄膜生長技術(shù)和光電子能譜譜表征儀器。通過將薄膜生長系統(tǒng)與在超高真空通道下連接的光譜表征技術(shù)相結(jié)合，原位生長的薄膜可以在不接觸空氣的情況下進(jìn)行電子特性的表征，從而保持生長過程中產(chǎn)生的本征特征。對(duì)于需要同步輻射光源的實(shí)驗(yàn)，則可以在光電子能譜線站上附加原位的薄膜生長設(shè)備。

4. 界面電子態(tài)的反演推導(dǎo)

盡管光電子能譜是表面敏感的技術(shù)，但光電子的平均自由路徑λ還是足夠?qū)⒕嚯x表面幾層結(jié)構(gòu)的電子態(tài)采集到能譜中。對(duì)于較薄厚度的膜材料，測(cè)得的光電子能譜將包括來自襯底、薄膜、以及可能存在的任何界面態(tài)的能譜的疊加，而每部分的能譜強(qiáng)度都需考慮電子逃逸深度受厚度影響的加權(quán)作用。假設(shè)薄膜的生長模式為層狀生長，基于隨厚度變化的系列薄膜光電子能譜，可以通過定量建模和分析，反演得出界面電子態(tài)的光電子能譜I0Interface:

其中 Iexpt(d) 為厚度 d 的薄膜樣品的能譜強(qiáng)度，I0Substrate 為襯底的能譜強(qiáng)度，IDFilm 為具有一定厚度 D 的薄膜樣品的能譜強(qiáng)度。dis 和 dif  分別為界面層所包含的襯底層和薄膜層的厚度。理論上來說，對(duì)于特定的某組 dis 和 dif  參數(shù)，不同厚度 d 的系列薄膜樣品的能譜強(qiáng)度所得到的界面態(tài)能譜強(qiáng)度 I0Interface 應(yīng)該一致。根據(jù)該原則，我們優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)，確定最佳的界面層模型結(jié)構(gòu)。一旦界面層確定，所對(duì)應(yīng)的界面態(tài)能譜便可精確定量計(jì)算。圖2展示了通過此方法所反演得出的 CoO-Fe?O? 的界面電子態(tài)與薄膜 (CoO) 和襯底 (Fe?O?) 電子結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果。

圖2 通過薄膜 (CoO) 和襯底 (Fe?O?) 的光電子能譜反演得出的界面光電子能譜 （DOI：10.1103/PhysRevB.77.085313）

該綜述文章總結(jié)了將表面敏感光電子能譜技術(shù)應(yīng)用和擴(kuò)展到隱埋界面表征的幾種典型方法。特別是基于隨厚度變化的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V曲線所用的定量模型方法，可用來反演推導(dǎo)界面電子態(tài)的光電子能譜，同時(shí)可優(yōu)化確定界面結(jié)構(gòu)模型。該定量建模方法既可以擴(kuò)展到其他薄膜的生長模式和其它電子態(tài)的表征；若將同步輻射技術(shù)與透射電鏡技術(shù)及密度泛函理論有效結(jié)合(DOI：10.1360/SSPMA-2020-0441)，更將幫助我們?nèi)娴靥綔y(cè)和理解界面電子態(tài)，為微電子器件性能的調(diào)控和改進(jìn)提供新的途徑。

論文信息：

Wang, HQ., Xu, J., Lin, X. et al. Determination of the embedded electronic states at nanoscale interface via surface-sensitive photoemission spectroscopy. Light Sci Appl 10, 153 (2021).

論文第一作者為王惠瓊教授；通訊作者為王惠瓊教授和鄭金成教授

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00592-9

論文傳送門在此，請(qǐng)進(jìn)>>>

編輯 | 趙陽

歡迎課題組投稿——新聞稿

文章轉(zhuǎn)載/商務(wù)合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻(xiàn)！加入>Light讀書會(huì)