Здавалка
Главная | Обратная связь

Тунельна спектроскопія



 

Якщо спостерігати СТМ-зображення при різних напругах зсуву Vs або, відключивши на короткий час ланцюг зворотного зв'язку, зняти залежність тунельного струму It від Vs при постійному значенні зазору ∆Z між вістрям і зразком, можна одержати картину розподілу обірваних зв'язків, а також інших електронних станів, що відповідають різним енергіям, оскільки в процесі тунелювання в цьому випадку будуть брати участь електрони з різними енергіями (із зони провідності, валентної зони, локалізованих станів). Подальший розвиток цього підходу привів до появи скануючої тунельної спектроскопії, при якій вимірюється залежність dIt/dVs = f(Vs), безпосередньо пов'язана із щільністю станів в околиці рівня Фермі.

Скануючий тунельний мікроскоп дозволяє одержувати вольт-амперні характеристики (ВАХ) тунельного контакту зонд-поверхня в будь-якій точці поверхні й досліджувати локальні електричні властивості зразка. Для характерних напруг на тунельному контакті порядку 0.1 – 1 В і тунельних струмів на рівні 0.1– 1 нА опір тунельного контакту Rt по порядку величин становить 108÷1010 Ом. Як правило, опір досліджуваних у СТМ зразків RS істотно менше Rt, і характер ВАХ визначається, в основному, властивостями невеликої області зразка поблизу тунельного контакту (рис.1.7).

 

Рисунок 1.7 – Еквівалентна схема тунельного контакту по постійному струму

 

Характер тунельної ВАХ істотно залежить від енергетичного спектра електронів у зразку (рис. 1.8).

 

Рисунок 1.8 – Енергетична діаграма тунельного контакту двох металів

 

При прямому зсуві (позитивний потенціал на електроді 2 - зразку) електрони тунелюють із заповнених станів зони провідності зонда на вільні стани зони провідності зразка. При зворотному зсуві електрони тунелюють зі зразка в зонд. Величина тунельного струму визначається напругою зсуву, коефіцієнтом прозорості бар'єра й щільністю станів поблизу рівня Фермі. Рівняння для тунельного струму у випадку дискретного електронного спектра було отримано у роботах. У наближенні квазінепреривного спектра електронів рівняння для тунельного струму може бути представлене в наступному вигляді:

 

де B – деяка постійна, і - щільність станів у матеріалі зонда й досліджуваного зразка, відповідно; - імовірність тунелювання (2); і - відповідні функції розподілу. У найпростішому випадку прямокутного бар'єра при низьких температурах і в припущенні, що щільність станів поблизу рівня Фермі в металі зонда практично постійна, рівняння для струму можна записати у вигляді

 

 

У цьому випадку залежність тунельного струму від напруги визначається, в основному, щільністю станів в енергетичному спектрі зразка. На практиці щільність станів оцінюють по величині похідної тунельного струму по напрузі. Що стосується самих СТМ- зображень, то виявилося, що зображення, отримані при різних Vs (тобто відповідним різним енергетичним станам) виглядають по різному (рис.1.9 а і б). Так, виступи, що спостерігаються на зображенні заповнених станів (рис.1.9 а), тунелюванням у зону провідності через обірвані зв'язки адатомів (нагадаємо, адатом, або адсорбований атом — атом, що перебуває на поверхні кристала у процесі росту при молекулярно-променевої епітаксії, але ще не вмонтувався у кристалічну решітку), у той час як западини, видимі на зображенні незаповнених станів, визначаються тунелюванням електронів з валентної зони або локалізованих станів кремнію через обірвані зв'язки (rest) - атомів (так називають атоми першого поверхневого шару) і атомів, розташованих у кутових ямках.

Таким чином, СТМ здатний відображати локалізовані стани електронів, зокрема, розподіл щільності станів у прямому просторі й розташування рівнів на енергетичній шкалі. Але це означає, що СТМ дозволяє спостерігати не самі атоми, а розподіл у просторі навколо атомів щільності електронів різної енергії і дає не просто топографію, а скоріше зображення електронної структури поверхні в околиці рівня Фермі. Ця обставина, з одного боку, істотно підвищує інформативність методу, тому що саме поводження електронів, енергія яких близька до рівня Фермі, визначає основні властивості поверхні, з іншого боку - ускладняє розшифровку істинних поверхневих атомних структур.

 

 

Рисунок 1.9 – СТМ - зображення поверхні Si(111) - 7x7 при різних напругах зсуву: а - Vs = + 2,4 В (зображення заповнених станів, електрони тунелюють з вістря в зразок); б - Vs = - 2,4 В (зображення незаповнених станів, електрони тунелюють зі зразка у вістря – зонд)

 

Істотний внесок у тунельний струм дають також поверхневі стани й рівні енергії, пов'язані з адсорбованими на поверхні чужорідними атомами. Неконтрольована присутність на поверхні адсорбованих атомів сильно ускладнює інтерпретацію одержуваних в експерименті тунельних спектрів. Крім того, теплові порушення приводять до значного розширення дискретних рівнів енергії, що відповідають локалізованим станам, а також сильно розмивають положення країв зони провідності й валентної зони. Тому дослідження локальних тунельних спектрів напівпровідникових матеріалів проводять в умовах високого вакууму і при низьких температурах. Як приклад на рис. 1.10 наведений тунельний спектр GaAs.

 

Рисунок 1.10 – СТМ спектр поверхні кристала n-GaAs

 

Тунельні спектри дозволяють визначити положення країв зони провідності й валентної зони щодо рівня Фермі, а також ідентифікувати спектральні піки, пов'язані із домішковими станами усередині забороненої зони напівпровідників.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.