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 постоянна 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 то дифференц. проводимость контакта dI/dV и, следовательно, туннельный ток при достаточно низких темп-pax прямо пропорц.

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 отсутствуют, плотность возбуждённых состояний на границе щели резко 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 - 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).

Рис. 2. Зависимость 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 где w₀ - энергия возбуждения примесного центра. На кривой 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).

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 обусловлено различием локальных значений плотности поверхностных электронных состоянии относительно межатомных расстояний.

Рис. 4. Спектры туннельной проводимости в функции напряжения между остриём и образцом, полученные для 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 в вакуумном зазоре d при(т,- 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.

   <<      Предметный указатель      >>