Туннельно-зондовая спектроскопия поверхностей кристаллов в атмосферных условиях

• Автор: Фирсов, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 125 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению причин аномально низкой величины потенциального барьера между зондом и образцом в воздушном туннельно - зондовом микроскопе. Также исследовано влияния потенциального барьера на достоверность туннельно - зондовых исследований.
Обнаружено, что зависимости тока от расстояния в воздушном СТМ хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией. При исследовании величины потенциального барьера (эффективной работы выхода) методом сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) у кристаллов с ОЦК решеткой (вольфрам, ниобий), ГЦК решеткой (золото), ГПУ решеткой (графит) получены аномально низкие значения не превышающие 0.3 эВ. Отработаны методики измерения величины потенциального барьера в точке и в растре. Аномально низкие величины потенциального барьера определяются как энергетическая разность между дном расположенной выше уровня Ферми разрешенной энергетической зоны в слое окисла и уровнем Ферми.
С помощью туннельной колебательной спектроскопии исследованы колебательные серии автоэмиссионных резонансов ВАХ СТМ. В ряде случаев по полученным сериям идентифицированы адсорбированные частицы.
На краях ступеней вицинальных граней кристаллов W(110) и Nb(110) обнаружено изменение величины потенциального барьера, связанное с влиянием кристаллографии, на образце графита ВПГ - наличие особенностей распределения электронной плотности на краях ступеней.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Объем работы составляет 125 страницу машинописного текста, включая 53 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ И
СПЕКТРОСКОПИИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Принцип действия и устройство туннельно - зондового
микроскопа для работы в атмосферных условиях
1.1.1 .Функциональный принцип туннельной микроскопии
1.1.2.Информация о поверхности, получаемая в СТМ экспериментах
1.1.3.Конструкция СТМ
1.2.Измерение высоты потенциального барьера между зондом и образцом методом туннельной спектроскопии
1.2.1.Исследование потенциального барьера с помощью
воздушного СТМ
1.2.2.Исследования особенностей распределения потенциального барьера по реальной поверхности с помощью СТМ/СТС
1.3.Сканирующая туннельная колебательная спектроскопия
1.3.1 .Сканирующая туннельная колебательная спектроскопия
адсорбатов
1.3.2. Колебательные переходы в СТС - экспериментах
1.4.Постановка задачи
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОХОЖДЕНИЯ ТОКА
МЕЖДУ ЗОНДОМ И ОБРАЗЦОМ В
ВОЗДУШНОМ СТМ
2.1.Оценка величины потенциального барьера между зондом и
образцом СТМ методом туннельно - зондовой спектроскопии
2.1.1.Описание тока между зондом и образцом из одномерной модели

при плоских берегах туннельного контакта
2.1.2. Исследование зависимости тока от расстояния между зондом и образцом с помощью программного обеспечения
СТМ СКАН - 8 в автоматическом режиме
2.1.3.Исследование зависимости туннельного тока от расстояния между зондом и образцом в статическом
режиме
2.1.4. Исследование ВАХ СТМ в туннельном режиме
2.2. Исследование альтернативных механизмов токопрохождения между зондом и образцом воздушного СТМ
2.2.1. Экспериментальная оценка влияния напряжения на туннельном промежутке на потенциальный барьер
2.2.2.Аномальные явления при измерении зависимости туннельного тока от расстояния
2.3. Выводы
Глава 3. СКАНИРУЮЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
3.1.Особенности применения ИК - спектроскопии
3.2.Сканирующая туннельная колебательная спектроскопия
3.3.Особенности измерения ВАХ туннельного промежутка
при напряжении более 5 В
3.4.Идентификация поверхностных соединений методом СТКС
3.5.Вывод ы
Глава 4. СТМ / СТС - ИССЛЕДОВАНИЯ (В МОДЕ
ПОТЕНЦИАЛЬНОГО БАРЬЕРА) КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ОБРАЗЦОВ
4.1. СТМ/СТС исследования ступеней на реальной поверхности
кристаллов У(110) и N6(110)

1.2.2.Исследования особенностей распределения потенциального барьера по реальной поверхности с помощью
СТМ/СТС
Как описано выше, с помощью СТМ можно получать не только информацию о топографии, но и о распределении по реальной поверхности локальной работы выхода (спаде волновой функции электронов за пределами образца), спектра электронных состояний с атомным разрешением, распределении потенциалов при протекании тока через образец [9,10].
В работе [б] описано исследование распределения ВПБ на ровной (однородной) и неоднородной поверхностях с известными структурными дефектами в сверхвысоком вакууме (давление менее Ю"10 мм рт. ст.). В качестве ровной (однородной) поверхности использовали Си(110), неоднородной - реконструированную поверхность Аи(110) со структурой (1x2). Расстояние между иглой и образцом модулировалось синусоидальным напряжением частотой 1 кГц и 100 кГц, приложенным к пьезоэлементу. Одновременно положение иглы относительно образца контролировалось по сигналу постоянного тока. Амплитуда модуляции составляла для 100 кГц 0.001 нм, для 1 кГц - 0.03 нм. Переменная составляющая тока выделялась с помощью гетеродина, затем усиливалась и записывалась одновременно с сигналом постоянного тока. В случае сигнала частотой 100 кГц сигнал предварительно усиливался резонансным усилителем.
Авторы [6] также отмечают, что эффект уменьшения высоты потенциального барьера при уменьшении расстояния игла - образец оказывает влияние только на второй порядок измерений, в то время, как точность первого порядка недостижима в подобных измерениях. В работе