二聚化Si(001)表面的临界行为：二维Ising普适类中的连续有序-无序相变

本文通过第一性原理计算从理论层面，以及通过斑点剖面分析低能电子衍射（SPA-LEED）从实验层面，研究了Si(001)表面屈曲二聚体结构中有序-无序相变的临界行为。我们使用密度泛函理论（DFT）及三种常用于Si的泛函来确定描述二聚体相互作用的有效晶格哈密顿量的耦合常数。在实验上，通过在78–400 K温度范围内超结构斑点的强度与宽度，追踪了从低温$c(4{\times}2)$重构表面到高温$p(2{\times}1)$重构表面的相变。在临界温度$T_c = 190.6\,\mathrm{K}$附近，我们观察到斑点强度与关联长度的普适临界行为，其属于二维（2D）Ising模型的普适类。由沿与跨二聚体行的关联长度之比，我们确定了各向异性2D Ising模型的有效最近邻耦合：$J_\parallel = (-24.9 \pm 0.9_\mathrm{stat} \pm 1.3_\mathrm{sys})\,\mathrm{meV}$与$J_\perp = (-0.8 \pm 0.1_\mathrm{stat})\,\mathrm{meV}$。我们发现，当临界行为为主要关注点时，由实验确定的Ising模型耦合常数可与由DFT得到的更复杂晶格哈密顿量之耦合常数相协调。通过2D Ising模型由实验数据导出的相互作用各向异性，与采用PBEsol泛函的DFT计算最为吻合。计算所得各向异性的趋势与DFT泛函预测的表面应力各向异性一致，指向表面应力弛豫作为建立$c(4{\times}2)$重构基态驱动力的作用。