近日，我校物质学院薛加民课题组在新型扫描探针显微镜技术、传统低温超高真空STM探索新型量子材料方面都取得了科研进展，相关工作分别发表于知名学术期刊Review of Scientific Instruments、ACS Nano。
新型扫描探针技术助力电子器件纳米尺度能带结构的探测
薛加民课题组近期发展了一种新型扫描探针显微镜技术，可以在室温下探测电子器件的能带结构，且具有纳米级的空间分辨率。该技术的发展有望在半导体器件、拓扑量子器件等应用和基础研究领域产生重要影响。
该方法结合了传统扫描隧道显微镜和隧道能谱技术（scanning tunneling microscopy and spectroscopy, STM和STS）以及导电原子力显微镜技术（atomic force microscopy,AFM），被命名为接触式扫描隧道能谱（contact-mode STS, CMSTS）。传统的STM和STS方法如图一所示。探针和样品之间有一个纳米级别的隧穿结，通过量子隧穿效应，在探针和样品之间有皮安级别的电流。该电流与探针和样品之间偏压的依赖关系反映了样品的能带结构信息。传统的STM/STS具有原子级别的空间分辨率和毫电子伏特以下的能量分辨率，是基础研究领域的一个重要工具。
图一：传统STM的工作原理
然而，传统STM很难被用来研究电子器件中的能带结构。对于半导体器件而言，其能带结构决定了器件的性能。类似于图二A所示的半导体器件能带示意图被广泛地用来解释器件工作机理，但是其直接探测十分困难。另一方面，对于一系列新型量子材料器件，例如具有奇异拓扑性质的器件，其边界态的探测十分关键（如图二B所示）。传统STM具有很高的能量和空间分辨，理应在这些应用和基础研究领域发挥重要的作用，然而我们却很难把STM直接用来探测这些器件。原因在于传统STM需要借助隧穿电流来稳定探针和样品之间的真空间隙。该间隙变化0.1纳米则会导致隧穿电流近10倍的变化。因此，传统STM和STS一般只能用于大块导电样品，且一般都是处于低温超高真空环境中。对于尺寸在微米级的电子学器件或处于导电和不导电材料交界处的奇异边界态，传统STM/STS往往无能为力。
图二：A）一个PN结的能带结构示意图。B）二维拓扑绝缘体的边界电流。图片来源physicsworld.com。
为了解决这一问题，薛加民课题组把STM中的真空隧穿层用一层高质量纳米级厚度的绝缘体取代，把STM的反馈模式由隧穿电流变为AFM中的探针与样品之间的压力，如图三A所示。这种CMSTS模式结合了STM和AFM的优点。其隧穿结十分稳定，因此可以在室温下获取稳定的STS数据。更为重要的是，它可以获得导电和不导电材料界面处的能带结构，如图三B所示。这是人们首次在这种界面上获得高分辨能带结构信息，为将来更多电子器件的能带结构研究提供了新的工具。
图三：A）CMSTS的示意图。B）利用CMSTS在一个半导体边界上探测到的能带弯曲。虚线左边为导电的半导体材料，右边为绝缘衬底。
该工作以“Detecting band profiles ofdevices with conductive atomic force microscopy”为题发表于Review of Scientific Instruments。该研究由日本National Institute forMaterials Science的T. Taniguchi博士和K. Watanabe博士提供高质量绝缘材料。物质学院2017级博士研究生李冉冉为论文第一作者，薛加民教授为通讯作者，上科大为第一完成单位。该工作得到了科技部重点研发计划“高稳定性、全光谱、高效率太阳能电池材料探索和器件实现”的经费支持。器件加工和测量得到了上海科技大学软纳米平台和电镜中心的支持。
利用传统低温超高真空STM探索石墨烯准晶的层间耦合性质
在探索新型扫描探针技术的同时，薛加民课题组也利用传统低温超高真空STM对新型量子材料进行了许多有趣的探索。最近，他们利用带背栅调制的STM研究了石墨烯准晶的层间耦合性质，如图四所示。论文以“Interlayer Decoupling in 30° Twisted Bilayer Graphene Quasicrystal”为题发表于知名学术期刊ACS Nano。该石墨烯准晶由北京大学彭海琳教授课题组采用新方法生长获得，由北京大学高鹏教授课题组利用透射电镜进行了深入表征。薛加民课题组2019级博士研究生王斌斌为本文共同一作，薛加民教授为共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划“拓扑量子材料电子结构的调控和器件开发”的经费支持。器件加工和测量得到了上海科技大学电镜中心和软纳米平台的支持。
图四：A）用传统STM研究石墨烯准晶的示意图。B）用STM获得的石墨烯准晶的晶格结构显示其十二重旋转对称性。C）石墨烯准晶的狄拉克点随着背栅电压移动。D）理论计算很好地拟合了实验数据。
文章链接：
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0008412
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07091