Исследование электронных свойств поверхности висмута методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии

• Автор: Офицеров, Алексей Владиславович
• Шифр специальности: 01.04.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОНЫ В ВИСМУТЕ

1.1. Кристаллическая структура висмута

1.2. Удвоение периода решетки

1.3. Полуметаллы

1.4. Квантовые осцилляции восприимчивости и проводимости.

Форма электронной и дырочной поверхностей Ферми

1.5. Циклотронный резонанс. Эффективные массы

1.6. Магнитоплазменные волны. Концентрация носителей тока

1.7. Магнитные поверхностные уровни. Скорость электронов
1.8. Зонная структура висмута
1.9. Деформационная теория
1.10. Модели спектра электронов
’ 1.11. Электроны у поверхности висмута
ГЛАВА И. ПРИНЦИПЫ СТМ
2.1. Туннельный эффект
2.2. Принцип работы туннельного микроскопа
2.3. Туннелирование в атомном масштабе
2.4. Сканирующая туннельная спектроскопия
2.5. Основы конструкции СТМ
ГЛАВА III. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. Криостат для низкотемпературных СТМ исследований
3.2. Конструкция СТМ
3.3. Методика изготовления игл для СТМ
3.4. Приготовление образцов висмута
3.5. Техника измерений и управление СТМ

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
ВИСМУТА МЕТОДАМИ СТМ
4.1. Структурные СТМ исследования поверхности висмута
4.2. Туннельные спектры на поверхности висмута
4.3. Режим вакуумного туннелирования
4.4. Туннельная спектроскопия тригональной поверхности
и поверхности двойниковой прослойки
4.5. Поверхностные электронные состояния в висмуте
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ.
Висмут играет особую роль в физике металлов. Это обусловлено его уникальными электронными свойствами. Число носителей тока в висмуте порядка 10'5 на атом, их эффективные массы имеют порядок 0.1 -г 0.01 массы свободного электрона, энергия Ферми в висмуте порядка нескольких сотых электрон-вольта. Занимая с точки зрения электронных свойств промежуточное положение между нормальными металлами и полупроводниками, висмут наиболее легко проявляет специфические металлические свойства. Так, на висмуте впервые были обнаружены сильное магнетосопротивление [1], эффекты де Гааза - ван Альфена [2] и Шубникова - де Гааза [3], циклотронный резонанс в металлах [4], осциллирующая магнитострикция [5], были сделаны первые детальные измерения магнитных поверхностных уровней [6]. Многочисленные экспериментальные и теоретические работы, посвященные исследованию электронных свойств висмута, во многом определили развитие физики металлов и стали основой современных представлений об электронах в металлах.
Электронные свойства поверхности висмута изучены значительно менее детально, но в последние годы именно поверхность привлекает особое внимание исследователей. Причина такого интереса заключается в том, что для висмута из общих соображений можно ожидать радикальной перестройки электронного спектра вблизи поверхности. Связано это с тем, что концентрация носителей тока в висмуте на пять порядков ниже, чем в нормальных металлах, длина волны носителей и Дебаевский радиус экранирования в висмуте достигают сотен ангстрем и значительно превышают межатомное расстояние. Следовательно, наличие поверхности должно сказываться на носителях тока в приповерхностном слое толщиной в сотни ангстрем, приводя к перестройке системы электронов проводимости вблизи поверхности. В связи с этим представляют интерес исследования электронных свойств поверхности висмута.
Данная работа посвящена исследованию электронов у поверхности висмута методами сканирующей туннельной микроскопии [7] и спектроскопии [8, 9]. Главная особенность данной методики состоит в том, что сочетание техники СТМ и СТС позволяет в одном эксперименте получать изображения поверхности и

Для оценки туннельного тока можно считать, что площадь туннельного контакта Я & 10'16 см2. Плотность состояний электронов проводимости на уровне Ферми для металлов ре ~ 1022 см3/В, скорость электронов уе я> Ю8 см/с. При расстоянии между иглой СТМ и поверхностью образца 2 да 4+5 А туннельный ток
I, ос 1ГеуеЯреУ « 1+10 нА . (2.4)
Рис. 11. Схема протекания туннельного тока между острием СТМ и исследуемой поверхностью.
2.2. Принцип работы туннельного микроскопа.
Приведенные выше оценки показывают, что, во-первых, туннельный ток, протекающий между металлическим острием и исследуемой проводящей поверхностью при расстоянии между ними в несколько ангстрем, имеет вполне измеримую величину, во-вторых, этот ток экспоненциально зависит от расстояния между острием и образцом, причем при изменении расстояния на один ангстрем ток изменяется на порядок, в-третьих, вследствие экспоненциальной зависимости тока от расстояния, размер площадки на исследуемой поверхности, через которую протекает туннельный ток, равен по порядку величины нескольким ангстремам.
Из этих соображений следует, что, перемещая острие вдоль поверхности и измеряя при этом туннельный ток, можно получить сведения об изменении расстояния между острием и поверхностью, а следовательно, и о рельефе поверхности, при условии, что работа выхода и плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми постоянны вдоль поверхности. Причем, поскольку основной вклад в туннельный ток вносит площадка с размерами в несколько ангстрем на изучаемой поверхности, этим способом можно наблюдать особенности рельефа поверхности, имеющие атомные размеры. Метод прямого измерения туннельного тока, однако, пригоден только для исследования небольших участков поверхности,