Кіріспе
Сканерлеу туннельдік спектроскопиясы (СТС), сканерлеу туннельдік микроскопияның (СТМ) кеңейтімі, үлгідегі электрондардың тығыздығы туралы ақпаратты олардың энергиясының функциясы ретінде беруге қолданылады. Сканерлеу туннельдік микроскопияда, физикалық байланыс жасамай, өткізгіш үлгіге металл ұшы жылжытылады. Үлгі мен ұш арасындағы қолданылатын кернеу, екеуі арасында ток ағынына мүмкіндік береді. Бұл, кедергі арқылы кванттық туннельдеудің нәтижесінде болады; осы жағдайда, ұш пен үлгі арасындағы физикалық қашықтық. Сканерлеу туннельдік микроскопы беттердің "топографиялық карталарын" алу үшін қолданылады. Ұш бетімен қозғалып, тұрақты ток режимінде, ұш пен үлгі арасындағы тұрақты ток, ұштың биіктігін реттеу арқылы сақталады. Барлық өлшеу нүктелеріндегі ұштың биіктігінің графигі топограмманы береді. Бұл топографиялық суреттер металл және жартылай өткізгіш беттер туралы атомдық деңгейдегі ақпаратты алуға мүмкіндік береді.
The scanning tunneling microscope is used to obtain "topographs" topographic maps of surfaces. The tip is rastered across a surface and (in constant current mode), a constant current is maintained between the tip and the sample by adjusting the height of the tip. A plot of the tip height at all measurement positions provides the topograph. These topographic images can obtain atomically resolved information on metallic and semi conducting surfaces
However, the scanning tunneling microscope does not measure the physical height of surface features. One such example of this limitation is an atom adsorbed onto a surface. The image will result in some perturbation of the height at this point. A detailed analysis of the way in which an image is formed shows that the transmission of the electric current between the tip and the sample depends on two factors: (1) the geometry of the sample and (2) the arrangement of the electrons in the sample. The arrangement of the electrons in the sample is described quantum mechanically by an "electron density". The electron density is a function of both position and energy, and is formally described as the local density of electron states, abbreviated as local density of states (LDOS), which is a function of energy. Spectroscopy, in its most general sense, refers to a measurement of the number of something as a function of energy. For scanning tunneling spectroscopy the scanning tunneling microscope is used to measure the number of electrons (the LDOS) as a function of the electron energy. The electron energy is set by the electrical potential difference (voltage) between the sample and the tip. The location is set by the position of the tip. At its simplest, a "scanning tunneling spectrum" is obtained by placing a scanning tunneling microscope tip above a particular place on the sample. With the height of the tip fixed, the electron tunneling current is then measured as a function of electron energy by varying the voltage between the tip and the sample (the tip to sample voltage sets the electron energy). The change of the current with the energy of the electrons is the simplest spectrum that can be obtained, it is often referred to as an I V curve. As is shown below, it is the slope of the I V curve at each voltage (often called the dI/dV curve) which is more fundamental because dI/dV corresponds to the electron density of states at the local position of the tip, the LDOS.
Дегенмен, сканерлеу туннельдік микроскопы беттік ерекшеліктердің физикалық биіктігін өлшемейді. Бұл шектеудің бір мысалы – бетке адсорбцияланған атом. Сурет осы нүктеде биіктіктің өзгеруіне алып келеді. Сурет қалыптасуын егжей-тегжейлі талдау, ұш пен үлгі арасындағы электр тогының берілуі екі факторға байланысты екенін көрсетеді: 1) үлгінің геометриясы және 2) үлгідегі электрондардың орналасуы. Үлгідегі электрондардың орналасуы кванттық механикада "электрондық тығыздық" арқылы сипатталады. Электрондық тығыздық – позицияның және энергияның функциясы, ол электрондық күйлердің жергілікті тығыздығы (LDOS) ретінде сипатталады, ол энергияның функциясы болып табылады. Спектроскопия, ең жалпы мағынасында, энергияның функциясы ретінде бір нәрсенің мөлшерін өлшеуді білдіреді. Сканерлеу туннельдік спектроскопияда сканерлеу туннельдік микроскопы электронның энергиясының функциясы ретінде электрондардың мөлшерін (LDOS) өлшеу үшін қолданылады. Электронның энергиясы, үлгі мен ұш арасындағы электрлік потенциал айырмашылығымен (кернеу) анықталады. Орны, ұштың орналасуымен анықталады. Ең қарапайым жағдайда, "сканерлеу туннельдік спектрі" сканерлеу туннельдік микроскопының ұшын үлгідегі белгілі бір нүктенің үстіне қою арқылы алынады. Ұштың биіктігі бекітілген кезде, электрондық туннельдеу тогы, ұш пен үлгі арасындағы кернеуді өзгерту арқылы электрон энергиясының функциясы ретінде өлшенеді (ұштан үлгіге дейінгі кернеу электрон энергиясын анықтайды). Токтың электрондардың энергиясымен өзгеруі – ең қарапайым спектр, ол көбінесе I-V қисығы деп аталады. Төменде көрсетілгендей, әрбір кернеудегі I-V қисығының еңісі (көбінесе dI/dV қисығы деп аталады) маңыздырақ, өйткені dI/dV ұштың жергілікті орнындағы электрондық тығыздыққа сәйкес келеді, яғни LDOS-қа.
The scanning tunneling microscope is used to obtain "topographs" topographic maps of surfaces. The tip is rastered across a surface and (in constant current mode), a constant current is maintained between the tip and the sample by adjusting the height of the tip. A plot of the tip height at all measurement positions provides the topograph. These topographic images can obtain atomically resolved information on metallic and semi conducting surfaces
However, the scanning tunneling microscope does not measure the physical height of surface features. One such example of this limitation is an atom adsorbed onto a surface. The image will result in some perturbation of the height at this point. A detailed analysis of the way in which an image is formed shows that the transmission of the electric current between the tip and the sample depends on two factors: (1) the geometry of the sample and (2) the arrangement of the electrons in the sample. The arrangement of the electrons in the sample is described quantum mechanically by an "electron density". The electron density is a function of both position and energy, and is formally described as the local density of electron states, abbreviated as local density of states (LDOS), which is a function of energy. Spectroscopy, in its most general sense, refers to a measurement of the number of something as a function of energy. For scanning tunneling spectroscopy the scanning tunneling microscope is used to measure the number of electrons (the LDOS) as a function of the electron energy. The electron energy is set by the electrical potential difference (voltage) between the sample and the tip. The location is set by the position of the tip. At its simplest, a "scanning tunneling spectrum" is obtained by placing a scanning tunneling microscope tip above a particular place on the sample. With the height of the tip fixed, the electron tunneling current is then measured as a function of electron energy by varying the voltage between the tip and the sample (the tip to sample voltage sets the electron energy). The change of the current with the energy of the electrons is the simplest spectrum that can be obtained, it is often referred to as an I V curve. As is shown below, it is the slope of the I V curve at each voltage (often called the dI/dV curve) which is more fundamental because dI/dV corresponds to the electron density of states at the local position of the tip, the LDOS.
Кіріспе
Сканерлеу туннельдік спектроскопиясы – электрондық күйлердің жергілікті тығыздығын (LDOS) және атомдық масштабта беттер мен материалдардың жолақтығын зерттеу үшін сканерлеу туннельдік микроскопты (STM) пайдаланатын тәжірибелік техника. Әдетте, STS тұрақты ток топографиясындағы өзгерістерді ұшқыш-үлгілік кернеумен байқауды, туннельдеу тогының ұшқыш-үлгілік кернеуге (I-V) қатысты жергілікті өлшемін, туннельдеу өткізгіштігін өлшеуді, немесе осылардың бірінен көбін қамтиды. Сканерлеу туннельдік микроскопындағы туннельдеу тогы диаметрі ~5 Å болатын аймақта ғана ағатындықтан, STS басқа беттік спектроскопиялық әдістермен салыстырғанда ерекше, себебі олар үлкен беттік аумақта орташалайды. STS-тің бастаулары Герд Биннинг пен Генрих Роррдің STM бойынша алғашқы жұмыстарында кездеседі, онда олар ұшқыш-үлгілік кернеумен Si(111)-(7x7) бетінің (7x7) бірлік жасушасындағы кейбір атомдардың көрінісіндегі өзгерістерді байқаған. STS металдардың, жартылай өткізгіштердің және жұқа оқшаулағыштардың жергілікті электрондық құрылымын басқа спектроскопиялық әдістермен қол жеткізе алмайтын масштабта зерттеу мүмкіндігін ұсынады. Сонымен қатар, топографиялық және спектроскопиялық деректер бір уақытта тіркелуі мүмкін.
Деректерді түсіндіру
Алынған I V қисықтарынан I V өлшеуіш орнындағы сынаманың энергиялық аралығын анықтауға болады. I шамасын логарифмдік шкала бойынша ұштың сынамаға қатысты кернеуіне қарсы кескіндеу арқылы энергиялық аралықты нақты анықтауға болады. I V қисығының сызықтық графигінен энергиялық аралықты анықтау мүмкін болғанымен, логарифмдік шкала сезімталдықты арттырады. Feenstra және авторлар ұштың сынамаға қатысты арақашықтығы мен кернеуінің тәуелділіктері бір-бірін жояды, себебі олар қатынастар түрінде көрінеді деп мәлімдеді. Бұл жою нормаланған өткізгіштікті келесідей түрге дейін төмендетуге мүмкіндік береді: мұнда T дозалық тығыздыққа нормаланады, ал туннельдік аралықтағы электр өрісінің ыдырау ұзындығына тигізетін әсерін сипаттайды. және ұштың сынамаға қатысты кернеуімен баяу өзгереді деген ереже бойынша, үлгінің дозалық тығыздығын көрсетеді.
where normalizes T to the DOS and describes the influence of the electric field in the tunneling gap on the decay length. Under the assumption that and vary slowly with tip sample bias, the features in reflect the sample DOS, .
Шектеулер
STS спектрлік ақпаратты таңғажайып кеңістіктік ажыратымдылықпен қамтамасыз ете білсе де, кейбір шектеулері бар. STM және STS химиялық сезімталдыққа ие емес. Туннельдік эксперименттердегі ұштың үлгіге қатысты кернеу диапазоны , көрінетін тосқауыл биіктігі , тең болғандықтан, STM және STS тек валентті электрондық күйлерді ғана зерттей алады. Химиялық байланыс пайда болуы валенттілік күйлеріне күшті әсер ететіндіктен, STM және STS эксперименттерінен элементке тән ақпаратты алу әдетте мүмкін емес. Белгілі температурада Ферми таралуына байланысты электрон энергиясының таралуының жылулық кеңеюі спектроскопиялық ажыратымдылықты шектейді. , , және үлгі мен ұштың энергия таралуы екеуі де тең болады, сондықтан жалпы энергия ауытқуы құрайды. Жасыра металдар үшін дисперсиялық қатынасты ескере отырып, белгісіздік принципінен Ферми энергиясы , валенттілік аймағының ең төменгі нүктесі , Ферми толқын векторы және бүйірлік ажыратымдылық арасындағы байланыс келесідей: . Кеңістіктік ажыратымдылық ұштың үлгіге қатысты арақашықтығына байланысты болғандықтан, кіші арақашықтықтар мен жоғары топографиялық ажыратымдылық туннельдік спектрлердегі ерекшеліктерді бұрмалайды. Осы шектеулерге қарамастан, STS және STM металдардың, жартылай өткізгіштердің және жұқа оқшаулағыштардың жергілікті электрондық құрылымын басқа спектроскопиялық әдістермен қол жеткізе алмайтын масштабта зерттеу мүмкіндігін ұсынады. Сонымен қатар, топографиялық және спектроскопиялық деректер бір уақытта тіркелуі мүмкін.
where is the Fermi energy, is the bottom of the valence band, is the Fermi wave vector, and is the lateral resolution. Since spatial resolution depends on the tip sample spacing, smaller tip sample spacings and higher topographic resolution blur the features in tunneling spectra. Despite these limitations, STS and STM provide the possibility for probing the local electronic structure of metals, semiconductors, and thin insulators on a scale unobtainable with other spectroscopic methods. Additionally, topographic and spectroscopic data can be recorded simultaneously.