Тунельная зондовая микроскопия

II
Решением уравнений будет сумма гармонических функций с комплексной частью
Коэффициент прозрачности

барьера, n – показатель преломления для волн де Броля

равным
Решение ψ2 не является плоской волной.
Из условий непрерывности волновой

функции, при конечной толщине барьера вероятность обнаружения частицы за барьером будет:

Коэффициент прозрачности в этом случае будет равен:
Где D0 коэффициент пропорциональности примерно =1

В таблице приведены значения коэффициента прозрачности при высоте барьера U-E=5 эВ

( eV < φ )
где
При больших напряжениях смещения зависимость переходит

в формулу Фаулера –Норгейма для автоэмиссии

туннельный ток чувствителен к:
- зазору ΔZ между зондом и образцом (топография)
- локальному потенциалу V
- «локальной» работе выхода φ
- локальной плотности электронных состояний ρ(ε) (спектроскопия)

достигает атомного масштаба при
Rp

~ 1 nm φ ~ 4 eV.
энергетическое разрешение определяется размытием уровня Ферми зонда ~ kT

Поскольку туннельный ток течет через последний атом зонда, то для гладких поверхностей подходят достаточно грубые зонда полученные простым механическим перерезанием тонкой проволоки. Для грубых поверхностей при этом можно получить эффект двойного изображения. Для атомного разрешения сажным становиться конфигурация внешних электронных оболочек.

Ni, проволоки в щелочи
перерезание тонкой проволоки из Au, Pt0.9Ir0.1, Pt1–xRhx

сплава
очистка поверхности прогревом, локальным электронным прогревом электронным пучком в высоком вакууме, автоэмиссионная подготовка
Создание профиля зонда

тока сигнал, вырабатываемый системой обратной связи несет информацию о топографии

поверхности.
в режиме постоянной высоты информация о топографии поверхности содержится в туннельном токе, а система обратной связи компенсирует вибрации и термодрейфы (в этом режиме при быстром сканировании и больших перепадах рельефа можно сломать зонд).

подготовка поверхности. Различные материалы требуют разных методов:

Полировка поверхности до состояния

оптического блеска и электролитическая полировка.

Инертные полупроводниковые материалы и металлы очищаются от загрязнений кратковременным нагревом до 1200 оС в условиях сверхвысокого вакуума (температурная вспышка)

Cu, Al, Pt, Au и некоторые полупроводники (Ge…) очищаются ионным распылением с последующим отжигом поверхности.

АIII–ВV полупроводники (GaAs, InAs), также как и высоко-температурные сверх проводники YBa2Cu3O7−x, BiSr3Cu2O8+x лучше очищаются методом дозированного окисления поверхности с нагревом.

Разрабатываются методы пассивирования поверхности серой (водные или спиртовые растворы ((NH4)2S) с последующим прогревом для удаления легко летучих сульфидов.

Х 0.4 мкм,
Видимый рельеф обусловлен изменением электронной плотности поверхности

образца, а не изменением рельефа поверхности

3nm
Yokohama city Univ.

ток: 1.04nA скан: 10nm x 10nm Yutaka Miyatake Unisoku Co.,Ltd.

600nm H. F. Hess Bell Labs
Температура : 400mК
Размер скана : 250nm

x 250nm Dr.HANAGURI Magnetic Materials Laboratory, RIKEN

процессе эпитаксиального выращивания пленки Зародышевое образование островковых структур указано стрелками.
Более

поздние стадии роста пленок Ge

петле обратной связи
возможно определение краев зоны проводимости и валентной зоны

относительно уровня Ферми
для исключения влияния туннельного зазора, значение dI/dV нормируется на проводимость контакта I/V

Упругая туннельная спектроскопия полупроводников

температурным размытием уровня Ферми.
Электронная структура может существенно влиять на интерпретацию

изображения

и нормированной структуры для InP

подаче отрицательного и положительного напряжения смещения на образец

регистрации структур в полупроводниках
Совмещенное изображение сканов +/- регистрирующих либо P

либо In в зависимости от полярности напряжения между зондом и поверхностью.

При отрицательном напряжение на образце вклад в изображение дают заполненные состояния анионов As, тогда как при положительном напряжении ток идет на свободные состояния катионов (Ga)

по энергии. Снимая такие зависимости в каждой точке можно получить

эквипотенциальные зависимости электронной плотности.
Таким образом можно построить карту распределения особенностей электронной структуры по поверхности. Запись проводиться при подаче переменного напряжения с постоянной составляющей – (модуляция) с последующим выделением соответствующей частоты синхронным детектором. Измерения проводятся попиксельно с отключением обратной связи в каждой очке. Необходима прецизионная точность z сканера и низкие температуры.

Пример записи карты электронной плотность вдоль углеродной нанотрубки с включениями молекул С60

разной величины плотности заполненных состояний вблизи уровня Ферми для сплава

PtRh. Темные пятна – остаточные включения С

Изображение Ge и Si нонопроволок полученных последовательным субмонослойным осаждением на покрытую Bi поверхности Si(111) (Ge-светлый)

с последующим намагничиванием перпендикулярно направлению зонда.
Величина туннельного тока при приложении

магнитного поля к образцу будет зависеть от локальной ориентации спина на заполненных энергетических состояниях. Таким образом можно получать карту распределения локальной намагниченности.

dI(V)/dV при разорванной петле обратной связи
можно измерить энергетическую щель

в плотности электронных состояний сверхпроводника и ее пространственное распределение по поверхности образца

ћω возбуждений,
существующих в туннельном контакте, то
открывается дополнительный неупругий

канал
туннелирования, увеличивающий общий ток
через контакт.
можно измерить молекулярные спектры (аналог
ИК спектров), энергию фононов, т.п.

разной полярности на зонде

возбуждения С-Н связей в молекуле С2Н2 и С-D связей в

С2D2 молекулах на поверхности меди
b – СТМ изображения молекул - вторых производных d2I/dV2 при настройке на энергии соответствующие возбуждению той или другой молекулы и при настройке на произвольную энергию.

N(E)) при сканировании позволяет определить пространственное распределение молекулы ответственной за

данную особенность спектра.

На рисунке представлены результаты сканирования поверхности золота с нанесенными комплексами содержащими Ni и Co

разном напряжении. Синим цветом на графике показан спектр края валентной

зоны полученный ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопией того же образца.

и образцом локализована малая проводящая частица с малой емкостью
при низких

температурах ее энергия емкостного аккумулирования заряда может быть больше, чем тепловая энергия
туннелирующий электрон, попав на эту частицу, создает Кулоновскую блокаду для следующих за ним электронов, туннелирование электронов прекращается до тех пор, пока внешнее напряжение не снимет блокаду
в результате на вольт-амперной характеристике появляются ступеньки
( пики на первой производной), количество ступенек коррелирует с количеством электронов, захваченных частицей.