Туннельная спектроскопия

Туннельный эффект широко используется в физике твердого тела для спектроскопии электронных состояний. В основе метода лежит зависимость туннельного тока от числа состояний в образующих туннельный контакт материалах в интервале энергий от 0 до eV, отсчитываемых от уровня Ферми Ер (V— напряжение на туннельном промежутке). Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд-поверхность в любой точке поверхности и, следовательно, исследовать локальные электрические свойства образца, (сканирующая туннельная спектроскопия с высоким пространственным разрешением).

Выражение для туннельного тока в приближении квазинепрерывного спектра электронов в некоторой точке r₀ на поверхности образца может быть представлено в следующем виде:

(3)

где D(r₀,E) — прозрачность барьера, ρ_T(Е) — плотность состояний, связанная с зондом, ρ_s(r_o,E) — плотность состояний образца в точке r₀.

Таким образом, туннельный ток представляет собой свертку плотности состояний зонда и образца. Однако, как правило, состояния образца доминируют в спектре. В простейшем случае прямоугольного барьера при низких температурах и в предположении, что плотность состояний вблизи уровня Ферми в металле зонда практически постоянна, выражение (3) для тока можно записать в виде:

(4)

В этом случае зависимость туннельного тока от напряжения определяется, в основном, плотностью состояний в энергетическом спектре образца. На практике величину ρ_S(r₀,E) оценивают по величине производной туннельного тока по напряжению:

(5)

Особенности в плотности состояний материала острия так же отражается на проводимости, но в некоторых случаях, например для пары вольфрам -полупроводник наиболее интересные особенности в спектре объемных или поверхностных состояний полупроводника лежат при энергиях ~ Е_F =1-2 эВ, где плотность состояний вольфрама не имеет особенностей.

Полупроводниковые образцы имеют сложную структуру энергетического спектра электронов. Наличие запрещенной зоны и примесных уровней в спектре полупроводниковых материалов делает ВАХ туннельного контакта металл-полупроводник сильно нелинейной (Рис.4а). Существенный вклад в туннельный ток дают также поверхностные состояния и уровни энергии, связанные с адсорбированными на поверхности чужеродными атомами. Поэтому исследования локальных туннельных спектров полупроводниковых материалов проводят в условиях высокого вакуума.

Туннельные спектры позволяют определить положения краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми, а также идентифицировать спектральные пики, связанные с примесными состояниями внутри запрещенной зоны полупроводников.

СТМ изображение поверхности существенно зависит от величины и полярности приложенного к туннельному контакту напряжения. Это связано с особенностями туннелирования электронов из иглы в свободные состояния образца (Free states) или из заполненных состояний образца (Filled states) в иглу (Рис. 4б).

Рис 4. a) - схематическое изображение ВАХ туннельного контакта металл-полупроводник, б)- влияние направления туннелирования электронов.

 

СТМ изображения реконструированной поверхности Si (111) — (7x7) при различных значениях приложенного к контакту напряжения показаны на Рис. 5.

Рис. 5. СТМ изображения поверхности Si (111) при различных напряжениях на образце:

a)+0.4, б)-1.4 В