Введение

Сканирующая туннельная спектроскопия (STS), являющаяся развитием сканирующей туннельной микроскопии (STM), используется для получения информации о плотности электронов в образце как функции их энергии. В сканирующей туннельной микроскопии металлический наконечник перемещается над проводящим образцом, не касаясь его. Приложение напряжения смещения между образцом и наконечником позволяет току протекать между ними. Это происходит в результате квантового туннелирования через потенциальный барьер; в данном случае, физическое расстояние между наконечником и образцом.

Сканирующий туннельный микроскоп используется для получения "топографических" изображений, или топографических карт поверхностей. Наконечник сканирует поверхность, и (в режиме постоянного тока) постоянный ток поддерживается между наконечником и образцом путем регулировки высоты наконечника. График высоты наконечника во всех точках измерения формирует топографическое изображение. Эти топографические изображения позволяют получать информацию об атомном строении металлических и полупроводниковых поверхностей.

Однако сканирующий туннельный микроскоп не измеряет физическую высоту поверхностных элементов. Примером этого ограничения является атом, адсорбированный на поверхности. Изображение в этой точке будет демонстрировать некоторое искажение высоты. Детальный анализ формирования изображения показывает, что передача электрического тока между наконечником и образцом зависит от двух факторов: (1) геометрии образца и (2) распределения электронов в образце. Распределение электронов в образце квантово-механически описывается как "плотность электронов". Плотность электронов является функцией как положения, так и энергии и формально описывается как локальная плотность электронных состояний, сокращенно LDOS (local density of states), которая является функцией энергии. Спектроскопия, в самом общем смысле, подразумевает измерение количества чего-либо как функции энергии. В сканирующей туннельной спектроскопии сканирующий туннельный микроскоп используется для измерения количества электронов (LDOS) как функции энергии электронов. Энергия электронов задается разностью электрических потенциалов (напряжением) между образцом и наконечником, а положение – положением наконечника. В простейшем случае "сканирующий туннельный спектр" получают, поместив наконечник сканирующего туннельного микроскопа над определенной точкой на образце. При фиксированной высоте наконечника измеряется туннельный ток как функция энергии электронов путем изменения напряжения между наконечником и образцом (напряжение между наконечником и образцом определяет энергию электронов). Изменение тока в зависимости от энергии электронов является самым простым спектром, который можно получить, и часто называется вольт-амперной характеристикой (I-V кривой). Как показано ниже, более фундаментальным является наклон I-V кривой при каждом напряжении (часто называемый dI/dV кривой), поскольку dI/dV соответствует локальной плотности электронных состояний в точке расположения наконечника, то есть LDOS.

Введение

Сканирующая туннельная спектроскопия – это экспериментальная техника, использующая сканирующий туннельный микроскоп (STM) для исследования локальной плотности электронных состояний (LDOS) и ширины запрещенной зоны поверхностей и материалов на поверхностях в атомном масштабе. Как правило, STS включает в себя наблюдение изменений топографии при постоянном токе в зависимости от напряжения между образцом и наконечником, локальное измерение зависимости туннельного тока от напряжения между образцом и наконечником (I-V кривая), измерение туннельной проводимости или комбинацию этих методов. Поскольку туннельный ток в сканирующем туннельном микроскопе протекает только в области диаметром около 5 Å, STS отличается от других методов поверхностной спектроскопии, которые усредняют сигнал по большей площади поверхности. Истоки STS лежат в ранних работах Герда Биннига и Генриха Роррера, в которых они наблюдали изменения в изображении отдельных атомов в (7x7) ячейке поверхности Si(111)-(7x7) при изменении напряжения между образцом и наконечником. STS предоставляет возможность исследовать локальную электронную структуру металлов, полупроводников и тонких изоляторов в масштабе, недостижимом для других спектроскопических методов. Кроме того, топографические и спектроскопические данные могут быть зарегистрированы одновременно.

Интерпретация данных

На основе полученных вольт-амперных характеристик (I V кривых) можно определить ширину запрещенной зоны образца в точке измерения I V. Построение модуля тока I в логарифмическом масштабе в зависимости от напряжения смещения между наконечником и образцом позволяет четко определить ширину запрещенной зоны. Хотя определение ширины запрещенной зоны возможно и по линейному графику I V кривой, логарифмический масштаб повышает чувствительность. Feenstra и др. утверждали, что зависимости от расстояния между наконечником и образцом и от напряжения смещения между ними имеют тенденцию к взаимной компенсации, поскольку они возникают в виде отношений. Эта компенсация упрощает нормализованную проводимость до следующего вида:

где нормализует T к плотности состояний (DOS), а описывает влияние электрического поля в туннельном зазоре на длину затухания. При предположении, что и изменяются медленно с изменением напряжения смещения между наконечником и образцом, особенности в отражают плотность состояний образца, .

Ограничения

Хотя STS может предоставить спектроскопическую информацию с удивительным пространственным разрешением, существуют некоторые ограничения. STM и STS не обладают химической чувствительностью. Поскольку диапазон приложенного напряжения в туннельных экспериментах ограничен , где – кажущаяся высота барьера, STM и STS исследуют только валентные электронные состояния. Получение элемент-специфической информации из экспериментов STM и STS, как правило, невозможно, поскольку образование химических связей значительно искажает валентные состояния. При конечных температурах тепловое уширение распределения энергии электронов, обусловленное распределением Ферми, ограничивает спектроскопическое разрешение. При , , и ширина распределения энергии образца и наконечника составляет Таким образом, полное отклонение энергии равно . Исходя из дисперсионного соотношения для простых металлов и соотношения неопределенностей, следует, что где – энергия Ферми, – нижняя граница валентной зоны, – волновой вектор Ферми, а – латеральное разрешение. Поскольку пространственное разрешение зависит от расстояния между наконечником и образцом, уменьшение этого расстояния и повышение топографического разрешения приводят к размытию деталей в туннельных спектрах. Несмотря на эти ограничения, STS и STM предоставляют возможность исследования локальной электронной структуры металлов, полупроводников и тонких изоляторов в масштабе, недостижимом другими спектроскопическими методами. Кроме того, топографические и спектроскопические данные могут быть зарегистрированы одновременно.