Exploración de espectroscopia que construye un túnel

Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) es una extensión de Scanning Tunneling Microscopy (STM) que es usada para proporcionar la información sobre la densidad de electrones en una muestra como una función de su energía.

En la exploración de la microscopia que construye un túnel, una punta metálica se corre una muestra de conducción sin hacer el contacto mecánico con la muestra. Un "voltaje de la tendencia" entre la muestra y punta permite que una corriente fluya entre la punta y la muestra aunque no estén en el contacto. Esto puede ocurrir debido al quántum la construcción de un túnel mecánica, de ahí el nombre del instrumento.

El microscopio de construcción de un túnel de exploración es usado para obtener "topographs" - mapas topográficos - de superficies. La punta es rastered a través de una superficie y (en el modo corriente constante), una corriente constante se mantiene entre la punta y la muestra ajustando la altura de la punta. Un complot de la altura de la punta en todas las posiciones de medida en la trama proporciona el topograph. Estas imágenes topográficas pueden obtener la información que atómicamente se resuelve, y muchas imágenes hermosas de superficies de superconductor y metal se han obtenido con la precisión atómica.

Sin embargo, el microscopio de construcción de un túnel de exploración no mide la altura de rasgos superficiales. Esto se puede mostrar dramáticamente cuando una molécula se adsorbe en una superficie - la imagen STM puede parecer haber AUMENTADO u o haber DISMINUIDO la altura en ese rasgo, aunque la geometría sola sea seguramente una altura AUMENTADA. Un análisis detallado del camino del cual una imagen se forma espectáculos que la transmisión de la corriente eléctrica entre la punta y la muestra depende de dos factores: (1) la geometría de la muestra y (2) el arreglo de los electrones en la muestra. El arreglo de los electrones en la muestra es el quántum descrito mecánicamente por una "densidad de electrones". La densidad de electrones es una función tanto de posición COMO DE energía, y formalmente se describe como la Densidad Local De estados de electrones, que se abrevia a Local Density Of States (LDOS), que son una función de energía.

La espectroscopia, en su sentido más general, se refiere a una medida del número de algo como una función de energía. Para explorar la espectroscopia que construye un túnel el microscopio de construcción de un túnel de exploración es usado para medir el número de electrones (la Densidad Local De estados) como una función de la energía de electrones. La energía de electrones es puesta por la diferencia potencial eléctrica (voltaje) entre la muestra y la punta. La posición (Local) es puesta por la posición de la punta.

En su más simple, un "espectro de construcción de un túnel de exploración" se obtiene colocando una exploración que cava la punta del microscopio encima de un lugar particular en la muestra. Con la altura de la punta fijada, el electrón que construye un túnel corriente se mide entonces como una función de la energía de electrones variando el voltaje entre la punta y la muestra (la punta al voltaje de la muestra pone la energía de electrones). El cambio de la corriente con la energía de los electrones es el espectro más simple que se puede obtener, esto nosotros a menudo referido como una curva de I-V. Como se muestra abajo, es la CUESTA de la curva de I-V en cada voltaje (a menudo llamaba el dI/dV-curve) que es más fundamental porque dI/dV equivale a la densidad de electrones de estados en la posición local de la punta, la Densidad Local de estados - LDOS.

En lo que sigue, dan a esta idea simple un análisis físico más detallado, y algunas ideas de medida más sofisticadas se presentan.

Introducción

La exploración de espectroscopia que construye un túnel (STS) es una técnica experimental que usa una exploración de microscopio que construye un túnel (STM) para sondar la densidad local de estados electrónicos (LDOS) y la banda prohibida de superficies y materiales de superficies en la escala atómica. Generalmente, STS implica la observación de cambios de topographs constante y corriente con tendencia de la muestra de la punta, medida local de la construcción de un túnel corriente contra la tendencia de la muestra de la punta (I-V) curva, medida de la construcción de un túnel conductance, o más de un de éstos. Ya que la construcción de un túnel corriente en un microscopio de construcción de un túnel de exploración sólo fluye en una región con el diámetro ~5 Å, STS es extraño en comparación con otras técnicas de la espectroscopia superficiales, que promedio sobre una región superficial más grande. Los orígenes de STS se encuentran con un poco del trabajo STM más temprano de Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, en el cual observaron cambios del aspecto de algunos átomos en el (7 x 7) célula de la unidad de Si (111) – (7 x 7) superficie con la tendencia de la muestra de la punta. STS proporciona la posibilidad a sondar la estructura electrónica local de metales, semiconductores y aislantes delgados por una escala imposible de conseguir con otros métodos spectroscopic. Además, los datos topográficos y spectroscopic se pueden registrar simultáneamente.

Construcción de un túnel corriente

Ya que STS confía en fenómenos que construyen un túnel y medida de la construcción de un túnel corriente o su derivado, entendiendo que las expresiones para la construcción de un túnel corriente son muy importantes. Se encuentra que la utilización Bardeen modificados transfieren el método hamiltoniano, que trata la construcción de un túnel como una perturbación, la corriente que construye un túnel (I) es

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\, \qquad\qquad (1) </matemáticas>

donde está la función de distribución de Fermi y son la densidad de estados (DOS) en la muestra y punta, respectivamente, y es el elemento de la matriz que construye un túnel entre wavefunctions modificado de la punta y la superficie de la muestra. El elemento de la matriz que construye un túnel,

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describe la energía que baja debido a la interacción entre los dos estados. Aquí y son la muestra wavefunction modificado por el potencial de la punta y la punta wavefunction modificado por el potencial de la muestra, respectivamente.

Para temperaturas bajas y un elemento de la matriz constante que construye un túnel, la construcción de un túnel corriente reduce a

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que es una circunvolución de DOS de la punta y la muestra. Generalmente, los experimentos de STS intentan sondar DOS de la muestra, pero la ecuación (3) espectáculos que se debe conocer que por la medida DOS de la punta tiene el sentido. La ecuación (3) implica esto

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bajo la asunción gruesa que DOS de la punta es constante. Para estas asunciones ideales, la construcción de un túnel conductance es directamente proporcional a DOS de la muestra.

Para voltajes de la tendencia más altos, las predicciones de modelos de construcción de un túnel planos simples usando la aproximación de Wentzel-Kramers Brillouin (WKB) son útiles. En la teoría WKB, la construcción de un túnel corriente se predice para ser

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donde y son la densidad de estados (DOS) en la muestra y punta, respectivamente. La energía - y electrón dependiente de la tendencia que cava la probabilidad de transición, T, da

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donde y son las funciones de trabajo respectivas de la muestra y dan una propina y es la distancia de la muestra a la punta.

Métodos experimentales

La adquisición del estándar STM topographs en muchas tendencias de la muestra de la punta diferentes y la comparación con la información topográfica experimental son quizás el método spectroscopic más franco. La tendencia de la muestra de la punta también se puede cambiar en una base de la línea por línea durante una exploración sola. Este método crea dos imágenes intercaladas en tendencias diferentes. Ya que sólo los estados entre los niveles de Fermi de la muestra y la punta contribuyen a mí, este método es una manera rápida de determinar si hay algún rasgo dependiente de la tendencia interesante en la superficie. Sin embargo, la información sólo limitada sobre la estructura electrónica puede ser extraída por este método, desde la constante yo topographs dependen de la punta y DOS de la muestra y la probabilidad de transmisión que construye un túnel, que depende del espaciado de la muestra de la punta, como descrito en la ecuación (5).

Usando técnicas de modulación, topograph corriente constante y espacialmente resuelto se puede adquirir simultáneamente. Un pequeño, la alta frecuencia sinusoidal voltaje de modulación son sobrepuestos en la tendencia de la muestra de la punta de D.C. El componente A.C. de la construcción de un túnel corriente se registra usando una cerradura - en el amplificador, y el componente en la fase con la modulación de la tendencia de la muestra de la punta da directamente. En la práctica, la frecuencia de modulación se elige ligeramente más alto que la amplitud de banda del sistema de la reacción STM. Esta opción impide al control de la reacción compensar la modulación cambiando el espaciado de la muestra de la punta y minimiza el desplazamiento 90 corrientes ° desfasado con la modulación de la tendencia aplicada. Tales efectos provienen de la capacitancia entre la punta y la muestra, que crece cuando la frecuencia de modulación aumenta.

A fin de obtener curvas de I-V simultáneamente con un topograph, un recorrido sample-hold se usa en el bucle de realimentación para el z piezo señal. El recorrido sample-hold congela el voltaje aplicado al z piezo, que congela la distancia de la muestra de la punta, en la posición deseada que permite medidas de I-V sin el sistema de la reacción responder. La tendencia de la muestra de la punta se barre entre los valores especificados, y la construcción de un túnel corriente se registra. Después de la adquisición de espectros, la tendencia de la muestra de la punta se devuelve al valor de exploración y los curriculums vitae de exploración. Usando este método, la estructura electrónica local de semiconductores en la banda prohibida se puede sondar.

Hay dos modos de registrar curvas de I-V en la manera descrita encima. En la espectroscopia de construcción de un túnel de exploración del espaciado constante (CS-STS), la punta deja de explorar en la posición deseada para obtener una curva de I-V. El espaciado de la muestra de la punta se ajusta para alcanzar la corriente inicial deseada, que puede ser diferente de setpoint corriente inicial, en una tendencia de la muestra de la punta especificada. Un amplificador sample-hold congela el z piezo señal de la reacción, que sostiene el espaciado de la muestra de la punta constante impidiendo al sistema de la reacción cambiar la tendencia aplicada al z piezo. La tendencia de la muestra de la punta se barre a través de los valores especificados, y la construcción de un túnel corriente se registra. Diferenciación numérica de yo (V) o la cerradura - en el descubrimiento como descrito encima para técnicas de modulación podemos ser usados para encontrar. Si la cerradura - en el descubrimiento se usa, entonces un voltaje de modulación A.C. se aplica a la tendencia de la muestra de la punta de D.C. durante el barrido de la tendencia y el A.C. el componente de la corriente en la fase con el voltaje de modulación se registra.

En la espectroscopia de construcción de un túnel de exploración del espaciado variable (CONTRA - STS), los mismos pasos ocurren que en CS-STS a través de apagar la reacción. Como la tendencia de la muestra de la punta se barre a través de los valores especificados, el espaciado de la muestra de la punta se disminuye continuamente ya que la magnitud de la tendencia se reduce. Generalmente, un espaciado de la muestra de la punta mínimo se especifica para impedir a la punta chocar contra la superficie de la muestra en el 0 V tendencia de la muestra de la punta. La cerradura - en técnicas de modulación y descubrimiento es usada para encontrar la conductividad, porque la construcción de un túnel corriente es una función también del espaciado de la muestra de la punta variado. Diferenciación numérica de (V) con respecto a V incluiría las contribuciones del espaciado de la muestra de la punta variado. Introducido por Mårtensson y Feenstra para permitir medidas de la conductividad sobre varios ordenes de magnitud, CONTRA - STS es útil para medidas de la conductividad en sistemas con bandas prohibidas grandes. Tales medidas son necesarias para definir correctamente los bordes del grupo y examinar el hueco de estados.

La espectroscopia de construcción de un túnel de la representación corriente (CITS) es una técnica STS donde una curva de I-V se registra en cada pixel en el STM topograph. El espaciado variable o la espectroscopia del espaciado constante pueden ser usados para registrar las curvas de I-V. El conductance, puede ser obtenido por la diferenciación numérica de mí con respecto a V o adquirió la cerradura de utilización - en el descubrimiento como descrito encima. Como una preocupación práctica, el número de pixeles en la exploración o el área de exploración se puede reducir para impedir al pelota de piezo o el movimiento termal mover el rasgo de estudio o el área de exploración durante la duración de la exploración. Ya que algunas exploraciones de CITS pueden durar superior a 12 horas, el movimiento bajo y el pelota son absolutamente necesarios.

Interpretación de datos

De las curvas de I-V obtenidas, la banda prohibida de la muestra en la posición de la medida I-V se puede determinar. Trazando la magnitud de mí por una escala del tronco contra la tendencia de la muestra de la punta, la banda prohibida se puede claramente determinar. Aunque la determinación de la banda prohibida sea posible de un complot lineal de la curva de I-V, la escala del tronco aumenta la sensibilidad. O bien, un complot del conductance, contra la tendencia de la muestra de la punta, V, permite que localice los bordes del grupo que determinan la banda prohibida.

La estructura en el, como una función de la tendencia de la muestra de la punta, tiene que ver con la densidad de estados de la superficie cuando la tendencia de la muestra de la punta es menos que las funciones de trabajo de la punta y la muestra. Por lo general, la aproximación WKB para la construcción de un túnel corriente es usada para interpretar estas medidas en la tendencia de la muestra de la punta baja con relación a la punta y funciones de trabajo de la muestra. El derivado de ecuación (5), yo en la aproximación WKB, es

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donde está la densidad de la muestra de estados, es la densidad de la punta de estados, y T es la probabilidad de transmisión que construye un túnel. Aunque la probabilidad de transmisión que construye un túnel T sea generalmente desconocida, en una posición fija T aumentos suavemente y monotonically con la tendencia de la muestra de la punta en la aproximación WKB. De ahí, estructura en ser por lo general asignado a rasgos en la densidad de estados en el primer término de ecuación (7).

La interpretación de como una función de posición es más complicada. Las variaciones espaciales en T se revelan en medidas de como un fondo topográfico invertido. Cuando obtenido en el modo corriente constante, las imágenes de la variación espacial de contienen una circunvolución de la estructura topográfica y electrónica. Una complicación adicional se levanta desde en el límite de la tendencia baja. Así, diverge como V enfoques 0, previniendo la investigación de la estructura electrónica local cerca del nivel de Fermi.

Desde tanto la construcción de un túnel corriente, la ecuación (5), como el conductance, ecuación (7), depende de DOS de la punta y la probabilidad de transición que construye un túnel, T, la información cuantitativa sobre DOS de la muestra es muy difícil de obtener. Además, la dependencia del voltaje de T, que es por lo general desconocido, puede variar con la posición debido a fluctuaciones locales en la estructura electrónica de la superficie. Para algunos casos, que normalizan dividiéndose en puede minimizar el efecto de la dependencia del voltaje de T y la influencia del espaciado de la muestra de la punta. Usando la aproximación WKB, ecuaciones (5) y (7), obtenemos:

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Feenstra. sostuvo que las dependencias de y en espaciado de la muestra de la punta y tendencia de la muestra de la punta tienden a anular, ya que aparecen como proporciones. Esta cancelación reduce conductance normalizado a la forma siguiente:

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donde normaliza T a DOS y describe la influencia del campo eléctrico en el hueco que construye un túnel en la longitud del decaimiento. Bajo la asunción que y varían despacio con la tendencia de la muestra de la punta, los rasgos en reflejan DOS de la muestra.

Limitaciones

Mientras STS puede proveer la información spectroscopic de la resolución espacial asombrosa, hay algunas limitaciones. El STM y STS carecen de la sensibilidad química. Ya que la variedad de la tendencia de la muestra de la punta en la construcción de un túnel de experimentos se limita con, donde está la altura de la barrera aparente, STM y STS sólo son estados del electrón de la valencia de la muestra. La información específica para el elemento es generalmente imposible de extraer de STM y experimentos de STS, ya que la formación de la obligación química enormemente perturba los estados de la valencia.

A temperaturas finitas, el ensanchamiento termal de la distribución de la energía de electrones debido a la Fermi-distribución limita la resolución spectroscopic. En, y la muestra y extensión de distribución de la energía de la punta son ambos. De ahí, la desviación de la energía total es. Asumiendo la relación de la dispersión para metales simples, sigue de la relación de incertidumbre esto

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donde está la energía de Fermi, es el fondo del grupo de la valencia, es el vector de onda de Fermi y es la resolución lateral. Ya que la resolución espacial depende del espaciado de la muestra de la punta, los espaciados de la muestra de la punta más pequeños y la resolución topográfica más alta enturbian los rasgos en espectros que construyen un túnel.

A pesar de estas limitaciones, STS y STM proporcionan la posibilidad a sondar la estructura electrónica local de metales, semiconductores y aislantes delgados por una escala imposible de conseguir con otros métodos spectroscopic. Además, los datos topográficos y spectroscopic se pueden registrar simultáneamente.

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