ТУННЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ


ТУННЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
ТУННЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

- спектроскопия твёрдых тел, основанная на исследовании вольт-амперной характеристики (ВАX) туннельных контактов. В основе Т. с. лежит нелинейная зависимость туннельного тока I, протекающего между двумя проводниками, разделёнными тонким непроводящим барьером (диэлектриком, вакуумным зазором), от приложенного между ними напряжения V. Особенности электронного спектра проводника отражаются на ВАX туннельного контакта. Так, щель в спектре приводит к обращению тока в 0, а максимумы в плотности состояний сопровождаются максимумами производной тока по напряжению dI/dV. Особенности ВАX позволяют выяснить зависимость плотности состояний электронов от энергии, а также частоты фононов и молекулярных возбуждений, участвующих в процессе туннелирования.

Вероятность туннелирования через потенц. барьер определяется п р о з р а ч н о с т ь ю б а р ь е р а, плотностью состояний электронов по одну сторону барьера и вероятностью того, что по др. его сторону эти состояния свободны. В металле плотность состояний g вблизи фермы-энергии 5032-23.jpg постоянна 5032-24.jpg и туннельный ток I пропорц. напряжению V, приложенному к "берегам" перехода (в области малых напряжений). Если на одном из берегов плотность состояний зависит от энергии 5032-25.jpg то дифференц. проводимость контакта dI/dV и, следовательно, туннельный ток при достаточно низких темп-pax прямо пропорц. 5032-26.jpg

5032-29.jpg

Т. с. позволила продемонстрировать наличие энергетич. щели D в сверхпроводниках и доказать, что возникновение сверхпроводимости происходит за счёт электрон-фононно-го взаимодействия. На рис. 1 дана зависимость дифференц. проводимости от энергии возбуждения электрона (в единицах D) для контакта Mg (диэлектрик)-Рb (сверхпроводник) при T=0.33 К. Электронные возбуждения при энергиях, меньших 5032-27.jpg отсутствуют, плотность возбуждённых состояний на границе щели 5032-28.jpgрезко возрастает, а в области характерных энергий фононного спектра Рb немонотонно изменяется. Именно последнее связано с электрон-фононным механизмом сверхпроводимости. В случае полупроводников туннелирование электронов через p-n -переход часто осуществляется через т. н. н е п р я м о й п е р е х о д, когда электронный импульс в процессе перехода изменяется на величину а за счёт испускания или поглощения фонона. Этот процесс может происходить, когда между берегами туннель ного перехода приложено напряжение, определяемое условием 5032-30.jpg - энергия соответствующего фонона с волновым вектором q, и проявляется как особенности на ВАX (рис. 2). Стрелками отмечены особенности для разл. ветвей колебаний (акустич. и оптич.), участвующих в туннелировании электронов (см. Колебания кристаллической решётки).

5032-31.jpg

Рис. 2. Зависимость 5032-32.jpg от смещения V для кремниевого диода при 4,2 К.

Если в процессе туннелирования электрон передаёт часть энергии локальному примесному состоянию, то открывается дополнит. канал для туннелирования. Включение "туннелирования через примесное состояние" увеличивает проводимость контакта при 5032-33.jpg где w0 - энергия возбуждения примесного центра. На кривой 5032-34.jpg это отражают дополнит. пики. Форма линии при этом зависит от естеств. ширины линии, энергии возбуждения и температурного уширения из-за теплового "размазывания" энергетич. распределения электронов (рис. 3).

5032-35.jpg

Рис. 3. Спектры примесей СH в туннельном переходе кремниевого диода.

Т. с. помимо исследования плотности электронных состояний позволяет исследовать влияние внеш. воздействий на электронный спектр, напр. деформации, легирования и т. <п.

В отличие от традиционной Т. с. с к а н и р у ю щ а я Т. с. кроме энергетич. характеристики позволяет получить пространств. характеристики электронных поверхностных состояний. Она базируется на использовании сканирующего туннельного микроскопа, где туннельный ток локализуется в области размерами порядка атомных. Это позволяет выявить расположение максимумов волновых ф-ций электронов относительно двумерной кристаллич. решётки поверхности образца. В многослойных плёнках, гетеропереходах, сверхрешётках и др. возможно также выявление и спектроскопия отд. компонентов.

Метод сканирующей Т. с. предложен (в 1986) Р. Дж. Ха-мерсом (R. J. Hamers), Р. М. Тромпом (R. М. Tromp) и Дж. Е. Демутом (J. Е. Demuth), продемонстрировавшими его возможности при изучении реконструированной поверхности кристалла Si (см. Реконструкция поверхности). На рис. 4 приведены ВАX, полученные в разных точках элементарной ячейки 7x7. Различие 5032-36.jpg обусловлено различием локальных значений плотности поверхностных электронных состоянии относительно межатомных расстояний.

5033-1.jpg

Рис. 4. Спектры туннельной проводимости 5033-2.jpg в функции напряжения между остриём и образцом, полученные для 5033-3.jpg поверхности. Сплошная линия-спектр, усреднённый по элементарной ячейке (врезка), локальные спектры даны при расположении острия над атомами (квадратики) и в промежутках между ними (точки и крестики соответствуют позициям, помеченным теми же символами на схеме элементарной ячейки).

Достоинство сканирующей Т, с. состоит в возможности изучения сорбированных на поверхности атомов и молекул и механизма поверхностных хим. реакций. При т. н. неупругом туннелировании (изменяется энергия электрона) наблюдается селективное излучение света, а при освещении туннельного контакта - изменение ВАX. Перспективно повышение селективности я информативности метода.

Сканирующая Т. с. играет важную роль при исследовании сверхпроводимости, в особенности высокотемпературной, позволяя измерить распределение энергетич. щели по поверхности, установить структуру вихрей Абрикосова, возникающих в сверхпроводниках второго рода в магн. поле. Изменяя величину зазора между образцом и остриём сканирующего туннельного микроскопа, можно наблюдать резонансные состояния, обусловленные интерференцией электронов с длиной волны 5033-4.jpg в вакуумном зазоре d при 5033-5.jpg( т,5033-6.jpg- масса и энергия электрона, n - целое число).

Лит.: Туннельные явления в твердых телах. Сб., под ред. Э. Бурштейна, С. Лундквиста, пер. с англ., М., 1973; Wolf E. L., Principles of electron tunneling spectroscopy, Oxf., 1985; Hamers R. J., Tromp R. M., DemuthJ. E., Surface electronic structure of Si (III) - (7x7) resolfed in real space. "Phys. Rev. Lett.", 1986, v. 56, p. 1972; Averin D. V., Likharev К. К., Coulomb blocade of single-electron tunneling and coherent oscillations in small tunnel junctions, "J. Lov. Temp. Phys.", 1986, v. 62, p. 345; Эдель-ман В. С., Сканирующая туннельная микроскопия, "ПТЭ", 1989, № 5, с. 25; "ПТЭ", 1991, № 1, с. 24; Hess H. F. [e.a.], Scanning-tunneling microscope observation of the Abrikosov flux lattice and the density of states near and inside a fluxoid, "Phys. Rev. Lett.", 1989, v. 62, p. 214. Н. В. Заварицкий, В. С. Эдельман.


Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ТУННЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ" в других словарях:

  • сканирующая туннельная спектроскопия — Термин сканирующая туннельная спектроскопия Термин на английском scanning tunneling spectroscopy Синонимы Аббревиатуры СТС, STS Связанные термины микроскоп, сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, режимы измерений на …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • сканирующая туннельная микроскопия — Термин сканирующая туннельная микроскопия Термин на английском scanning tunneling microscopy Синонимы Аббревиатуры СТМ, STM Связанные термины атомно силовая микроскопия, манипуляция атомами, "квантовый загон", литография, микроскоп,… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • Зондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно-силовая, сканирующая туннельная, магнитно-силовая и др. — Статьи"квантовый загон"атомно силовая микроскопиябиологические моторыбиомиметические наноматериалыбиосовместимые покрытиявекторы на основе наноматериаловгенная инженерияДНКДНК микрочипдоставка геновзондкантилевер …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов — ПодразделыЗондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно силовая, сканирующая туннельная, магнитно силовая и др.Сканирующая электронная микроскопияПросвечивающая электронная микроскопия, в том числе высокого разрешенияЛюминесцентная… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • режимы измерений на СТМ — Термин режимы измерений на СТМ Термин на английском STM operation modes Синонимы Аббревиатуры Связанные термины сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая туннельная спектроскопия Определение В сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) есть… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • сканирующая зондовая микроскопия — Термин сканирующая зондовая микроскопия Термин на английском scanning probe microscopy Синонимы Аббревиатуры СЗМ, SPM Связанные термины "умные" материалы, атомно силовая микроскопия, манипуляция атомами, кантилевер, микроскоп,… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • микроскоп — Термин микроскоп Термин на английском microscope Синонимы Аббревиатуры Связанные термины клетка, микроскопия, оптический пинцет, сканирующая электронная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая туннельная спектроскопия,… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • Бинниг, Герд Карл — Герд Бинниг Gerd Binnig Немецки …   Википедия

  • Бинниг — Бинниг, Герд Карл Герд Бинниг Gerd Binnig Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии Дата рождения: 20 июля …   Википедия

  • Бинниг, Герд — Герд Бинниг Gerd Binnig Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии (1986) Дата рождения: 20 июля 1947 …   Википедия

Книги



Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.