Вплив діелектричного оточення на енергетику квантових металевих плівок. Аналіза результатів розрахунків

В. В. Погосов

Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, 69063 Запоріжжя, Україна

Отримано: 12.08.2023; остаточний варіант - 13.08.2023. Завантажити: PDF

В моделю стабільного желе для режиму слабкого квантування досліджено вплив поверхневого та розмірного ефектів на ефективний потенціял і роботу виходу електрона металевої наноплівки на діелектричній підкладинці (вакуум/Al/SiO$_{2}$). Виявлено, що контакт з діелектриком, як правило, приводить до зменшення роботи виходу електрона. У процедурі самоузгодження в якості вхідного параметра введено положення зони провідности для діелектрика. Вплив контакту з діелектриками на енергетичні характеристики асиметричних метал-діелектричних сандвічей зводиться лише до середнього зваженого за площею контакту значення діелектричних проникностей обкладинок. Цей результат є наслідком застосування Ґаусової теореми для провідної сфери з неоднорідним діелектричним покриттям. Зсув електронів у плівці від діелектричної підкладинки до вакуумного інтерфейсу за рахунок контактної ріжниці потенціялів проявляється у появі потенціяльного бар’єру над вакуумним рівнем або позитивних значень ефективного потенціялу. Висота бар’єру залежить від використовуваного локального або нелокального наближення для обмінно-кореляційної енергії. Обговорюються нетривіяльна поведінка розрахованого ефективного потенціялу на вакуумній стороні плівки, а також причини цього. На основі одержаних результатів проаналізовано нещодавні результати мірянь контактної ріжниці потенціялів в залежності від кількости атомів Si, нанесених на вільну грань наноплівок ітербію на підкладинці Si(111). Обговорюються порівняння та розбіжності між нашими самоузгодженими розрахунками для простих металів і цими експериментами.

Ключові слова: поверхневі явища, робота виходу електрона, поверхневий потенціял, контактна ріжниця потенціялів, метал-діелектричні інтерфейси, сандвічі, плівки, модель стабільного желе.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v45/i08/0935.html

PACS: 41.20.Cv, 71.15.Mb, 73.22.Dj, 73.30.+y, 73.40.Ns, 77.55.-g

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

H. Kawano, Prog. Surf. Sci., 97, No. 1: 100583 (2022). Crossref
R. Otero, A. L. Vázquez de Parga, and J. M. Gallego, Surf. Sci. Rep., 72, No. 3: 105 (2017). Crossref
D. Yu. Fedyanin, D. I. Yakubovsky, R. V. Kirtaev, and V. S. Volkov, Nano Lett., 16, No. 1: 362 (2016). Crossref
A. K. Sarychev, A. Ivanov, A. N. Lagarkov, I. Ryzhikov, K. Afanasev, I. Bykov, G. Barbillon, N. Bakholdin, M. Mikhailov, A. Smyk, A. Shurygin, and A. Shalygin, Phys. Rev. Appl., 17, No. 4: 044029 (2022). Crossref
A. V. Korotun and V. V. Pogosov, Phys. Solid State, 63, No. 1: 122 (2021). Crossref
R. Otero, A. L. Vázquez de Parga, and R. Miranda, Phys. Rev. B, 66, No. 11: 115401 (2002). Crossref
J. J. Paggel, C. M. Wei, M. Y. Chou, D.-A. Luh, T. Miller, and T.-C. Chiang, Phys. Rev. B, 66, No. 23: 233403 (2002). Crossref
Y. Liu, J. J. Paggel, M. H. Upton, T. Miller, and T.-C. Chiang, Phys. Rev. B, 78, No. 23: 235437 (2008). Crossref
A. L. Vázquez de Parga, J. J. Hinarejos, F. Calleja, J. Camarero, R. Otero, and R. Miranda, Surf. Sci., 603, No. 10: 1389 (2009). Crossref
P.-W. Chen, Y.-H. Lu, T.-R. Chang, C.-B. Wang, L.-Y. Liang, C.-H. Lin, C.-M. Cheng, K.-D. Tsuei, H.-T. Jeng, and S.-J. Tang, Phys. Rev. B, 84, No. 20: 205401 (2011).
R. Y. Liu, A. Huang, C. C. Huang, C.-Y. Lee, C.-H. Lin, C.-M. Cheng, K.-D. Tsuei, H.-T. Jeng, I. Matsuda, and S.-J. Tang, Phys. Rev. B, 92, No. 11: 115415 (2015).
M. V. Kuzmin and M. A. Mitzev, Fiz. Tverd. Tela, 65, No. 7: 1082 (2023) (in Russian). Crossref
N. E. Singh-Miller and N. Marzari, Phys. Rev. B, 80, No. 25: 235407 (2009). Crossref
E. Ogando, N. Zabala, E. V. Chulkov, and M. J. Puska, Phys. Rev. B, 71, No. 20: 205401 (2005). Crossref
L. Gao, J. Souto-Casares, J. R. Chelikowsky, and A. A. Demkov, J. Chem. Phys., 147, No. 20: 214301 (2017). Crossref
R. Tran, X.-G. Li, J. H. Montoya, D. Winston, K. A. Persson, and S. P. Ong, Surf. Sci., 687, No. 1: 48 (2019). Crossref
P. A. Schultz, Phys. Rev. B, 103, No. 19: 195426 (2021). Crossref
A. V. Babich and V. V. Pogosov, Phys. Solid State, 55, No. 1: 196 (2013). Crossref
V. V. Pogosov, A. V. Babich, and P. V. Vakula, Phys. Solid State, 55, No. 10: 2120 (2013). Crossref
A. V. Babich, Ukrayins’kyy Fizychnyy Zhurnal, 59, No. 1: 38 (2014).
V. V. Pogosov and V. I. Reva, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 3: 297 (2022). Crossref
M. Volkov, S. A. Sato, A. Niedermayr, A. Rubio, L. Gallmann, and U. Keller, Phys. Rev. B, 107, No. 18: 184304 (2023). Crossref
V. V. Batygin and I. N. Toptygin, Collection of Problems on Electrodynamics and Special Theory of Relativity (St. Petersburg–Moskva–Krasnodar: Lan’: 2010) (in Russian).
Z. Wang and C. Guet, IEEE Transactions on Emerging Topics in Computational Intelligence, 6, No. 3: 429 (2021). Crossref
W. R. Smythe, Static and Dynamic Electricity (CRC Press: 1989).
A. M. Teale, T. Helgaker, A. Savin, C. Adamo, B. Aradi, A. V. Arbuznikov, P. W. Ayers, E. J. Baerends, V. Barone, P. Calaminici, E. Cancès, E. A. Carter, P. K. Chattaraj, H. Chermette, I. Ciofini, T. D. Crawford, F. De Proft, J. F. Dobson, C. Draxl, T. Frauenheim, E. Fromager, P. Fuentealba, L. Gagliardi, G. Galli, J. Gao, P. Geerlings, N. Gidopoulos, P. M. W. Gill, P. Gori-Giorgi, A. Görling, T. Gould, S. Grimme, O. Gritsenko, H. Jørgen A. Jensen, E. R. Johnson, R. O. Jones, M. Kaupp, A. M. Köster, L. Kronik, A. I. Krylov, S. Kvaal, A. Laestadius, M. Levy, M. Lewin, S. Liu, P.-F. Loos, N. T. Maitra, F. Neese, J. P. Perdew, K. Pernal, P. Pernot, P. Piecuch, E. Rebolini, L. Reining, P. Romaniello, A. Ruzsinszky, D. R. Salahub, M. Scheffler, P. Schwerdtfeger, V. N. Staroverov, J. Sun, E. Tellgren, D. J. Tozer, S. B. Trickey, C. A. Ullrich, A. Vela, G. Vignale, T. A. Wesolowski, X. Xu, and W. Yang, Phys. Chem. Chem. Phys., 24: 28700 (2022). Crossref
A. V. Babich and V. V. Pogosov, Surf. Sci., 603, No. 16: 2393 (2009). Crossref
A. Kiejna and V. V. Pogosov, Phys. Rev. B, 62, No. 15: 10445 (2000). Crossref
R. Garron, Ann. Phys., 13, No. 10: 595 (1965). Crossref
S. A. Nepiiko, Fizicheskie Svoystva Melkikh Metallicheskikh Chastits [Physical Properties of Small Metal Particles] (Kiev: Naukova Dumka: 1985) (in Russian).