Измерение вольт-амперных характеристик туннельного контакта

С помощью СТМ можно снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта в различных точках поверхности, что позволяет судить о локальной проводимости образца и изучать особенности локальной плотности состояний в энергетическом спектре электронов. Для регистрации вольт-амперных характеристик туннельного контакта в СТМ применяется следующая процедура. На СТМ изображении поверхности выбирается область образца, в которой предполагается произвести измерения. Зонд СТМ выводится сканером в соответствующую точку поверхности. Для получения ВАХ контакта обратная связь на короткое время разрывается, и к туннельному промежутку прикладывается линейно нарастающее напряжение. При этом синхронно с изменением напряжения регистрируется ток, протекающий через туннельный контакт. Во время снятия ВАХ на время разрыва обратной связи на электрод сканера подается потенциал, равный потенциалу непосредственно перед разрывом.

В каждой точке производится снятие нескольких ВАХ. Итоговая вольт-амперная характеристика получается путем усреднения набора ВАХ, снятых в одной точке. Усреднение позволяет существенно минимизировать влияние шумов туннельного промежутка.

Согласно формуле 3, при неизменных параметрах расстояния зонд – образец и величине потенциального барьера, подинтегральное выражение определяется распределением электронной плотности вблизи барьера.

Рассмотрим процессы происходящие при записи вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового материала (рисунок 25).

Рисунок

Рисунок 25. Запись Волт-Амерпной характеристики полупроводника. Слева зонная схема с приложенным положительным напряжением на образец, справа полученная зависимость.

Тунелирование электронов происходит с сохранением потенциальной энергии. Переходы с изменением потенциальной энергии имеют многократно меньшую вероятность. При подаче отрицательного напряжения на зонд уровень Ферми зонда может быть поднят выше (по энергетической шкале) верха запрещенной зоны, при этом электроны из металлического зонда будут туннелировать на свободные состояния в зоне проводимости полупроводника. Наибольшую вероятность тунелирования имеют электроны вблизи уровня Ферми зонда, и она экспоненциально затухает для электронов с меньшими энергиями. Туннельный ток в этом случае будет зависеть от плотности свободных состояний в зоне проводимости полупроводника (отрицательная часть ВАХ. При уменьшении отрицательного потенциала на зонде уровень Ферми зонда постепенно достигает положения соответствующее границы запрещенной зоны и далее энергетического диапазона запрещенной зоны. Туннельный ток при этом уменьшается до нуля, если в запрещенной зоне полупроводника нет свободных состояний, на которые возможно тунелирование. Плотность свободных состояний в запрещенной зоне полупроводника на много порядков меньше таковой для зоны проводимости, поэтому изменения туннельного тока приводят к формированию незначительных особенностей на вольтамперной характеристики. Момент совпадения энергетического положения уровня Ферми для зонда и для полупроводника соответствует нулю на оси напряжений вольтамперной характеристики. Далее потенциалы меняются на противоположные – то есть на зонд подается положительное напряжение относительно полупроводника и тунелирование электронов происходит из заполненных состояний полупроводника на свободные состояния в зоне проводимости зонда. Если в запрещенной зоне полупроводника имеются заполненные уровни, то с них будет происходить туннелирование электронов на свободные состояния выше уровня Ферми зонда. Это так же приводит к появлению незначительных по интенсивности особенностей (максимумов малой интенсивности) на вольтамперной характеристике. При достижении положения, когда уровень Ферми зонда соответствует по энергии верху валентной зоны интенсивность туннелирования резко возрастает, на графике наблюдаем положительную ветвь вольтамперной характеристики. Для более точного определения границ запрещенной зоны и выявления энергетического положения примесных уровней производится дифференцирование вольтамперной характеристики (рисунок 26). Полученная с помощью дифференцирования величина пропорциональна плотности электронных состояний в рассматриваемом диапазоне.

Рисунок 26. Первая производная ВАХ показывает распределение электронной плотности по энергии.

После снятия и дифференцирования вольтамперной характеристики, полученные значения нормируются на проводимость туннельного контакта в данной точке. Полученные дифференцированием данные представляют собой спектр распределения электронной плотности g(E) в данной точке поверхности, а метод называется упругой туннельной спектроскопией полупроводников. Термин «упругая» связан с тем, что электрон при туннелировании не изменяет своей потенциальной энергии.

Рисунок 27. Двухмерная карта распределения заполненных и свободных π состояний на поверхности кремния при подаче отрицательного (а) и положительного (в) напряжения на образец.

 Результат сканирования образца по точкам дает трехмерную картину электронной структуры поверхности в исследуемой области. Пример двухмерной визуализации электронной плотности заполненных и незаполненных p состояний на поверхности кремния при разной полярности напряжения между зондом и образцом показана на рисунке 27.

Для увеличения чувствительности метода применяется модуляция напряжения (подаваемого между зондом и образцом) определенной частотой при записи вольтамперной характеристикой. Выделение полезного сигнала на той же частоте производится синхронным детектором. Для улучшения энергетического разрешения спектра эксперименты проводят при низких температурах.

Наряду с упругой туннельной спектроскопией возможна и неупругая туннельная спектроскопия. Ее отличие заключается в том, что электрон при тунелировании теряет часть своей потенциальной энергии. Это может происходить в случае, если упругое туннелирование невозможно при данном напряжении между зондом и образцом ввиду отсутствия свободных состояний в электронной структуре образца при данной энергии, но в пространственном зазоре между зондом и образцом находится молекула способная поглотить разницу в энергии. Тунелирование электрона происходит сначала на молекулу в зазоре с возбуждением ее колебательных или вращательных степеней свободы, на что и тратится часть энергии электрона. Вторым актом происходит тунелирование электрона с молекулы на свободные состояния в образце (рисунке 28а). В этом случае при определенных напряжениях между зондом и образцом происходит увеличение туннельного тока, а на спектре появляется максимум при определенной энергии (рисунке 28б). При изменении напряжения между зондом и образцом туннелирующие электроны могут последовательно возбуждать спектр вращательно-колебательных состояний молекулы в зазоре. Диапазон изменения энергии электрона при тунелировании соответствует энергии возбуждения колебаний молекулы в зазоре и находится в диапазоне от единиц до сотен мили электрон вольт.

Рисунок 28. Схематическое изображение неупругого тунелирования – а. Спектры, полученные методом неупругого тунелирования при различной толщине поверхностного слоя бензольной кислоты на поверхности.

С помощью неупругой туннельной спектроскопии можно изучать молекулярные спектры (аналог инфракрасной спектроскопии), помещая исследуемые молекулы в зазор между образцом и зондом. С другой стороны, при известных молекулярных спектрах, настраиваясь на энергию определенного пика на спектре и сканируя поверхность при соответствующем постоянном напряжении можно получать картину распределения молекул определенного сорта по поверхности образца. Пример подобного эксперимента показан на рисунке 29, где показана возможность различать молекулы с разным изотопным составом. Естественно, что эксперименты по неупругой туннельной спектроскопии проводят при температурах близких к абсолютному нулю для предотвращения температурного возбуждения колебательно-вращательных состояний исследуемой молекулы и для улучшения энергетического разрешения на спектре.

    Рисунок 29. Возможность СТМ различать молекулы по колебательным спектрам. Спектры неупругого тунелирования - а, и трехмерная визуализация при сканировании поверхности позволяющая определить местонахождение молекулы – в.