Неупругая электронная туннельная спектроскопия - Inelastic electron tunneling spectroscopy
Слева : движущиеся электроны не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать вибрацию. Может иметь место только упругое туннелирование.
В центре : при увеличении напряжения смещения выше V = E / e (где e - заряд электрона) бегущие электроны обладают достаточной энергией для возбуждения вибрации с энергией E. Может иметь место неупругое туннелирование.
Справа : движущиеся электроны также могут возбуждать и впоследствии поглощать вибрацию, что приводит к упругому туннелированию второго порядка.
Неупругая электронно-туннельная спектроскопия ( IETS ) - экспериментальный инструмент для изучения колебаний молекулярных адсорбатов на оксидах металлов. Он дает колебательные спектры адсорбатов с высоким разрешением (<0,5 мэВ) и высокой чувствительностью ( для получения спектра требуется <10 13 молекул). Дополнительным преимуществом является то, что также могут наблюдаться оптически запрещенные переходы. Внутри IETS оксидный слой с адсорбированными на нем молекулами помещается между двумя металлическими пластинами. Напряжение смещения прикладывается между двумя контактами. Энергетическая диаграмма устройства металл-оксид-металл при смещении показана на верхнем рисунке. Металлические контакты характеризуются постоянной плотностью состояний , заполненной до энергии Ферми . Предполагается, что металлы равны. Адсорбаты расположены на оксидном материале. Они представлены одним мостовым электронным уровнем, который представляет собой верхнюю пунктирную линию. Если изолятор достаточно тонкий, существует конечная вероятность того, что падающий электрон проходит через барьер. Поскольку энергия электрона этим процессом не изменяется, это упругий процесс. Это показано на левом рисунке.
Некоторые туннелирующие электроны могут терять энергию, возбуждая колебания оксида или адсорбата. Эти неупругие процессы приводят к появлению второго туннельного пути, который дает дополнительный токовый вклад в туннельный ток. Поскольку падающий электрон должен иметь достаточно энергии для возбуждения этой вибрации, существует минимальная энергия, которая является началом этого (неупругого) процесса. Это показано на среднем рисунке, где нижняя пунктирная линия обозначает вибронное состояние. Эта минимальная энергия для электрона соответствует минимальному напряжению смещения, которое является началом дополнительного вклада. Неупругий вклад в ток мал по сравнению с упругим туннельным током (~ 0,1%) и более отчетливо виден в виде пика во второй производной тока от напряжения смещения, как это видно на нижнем рисунке.
Однако есть также важная поправка к упругой составляющей туннельного тока в начале. Это эффект второго порядка в электронно-колебательной связи, когда вибрация излучается и повторно поглощается или наоборот. Это показано на верхнем рисунке справа. В зависимости от энергетических параметров системы эта поправка может быть отрицательной и может перевешивать положительный вклад неупругого тока, что приводит к провалу в спектре IETS. Это экспериментально подтверждено как в обычных IETS, так и в STM-IETS, а также предсказано теоретически. Могут наблюдаться не только пики и провалы, но в зависимости от энергетических параметров также могут наблюдаться особенности, подобные производным, как экспериментально, так и теоретически.
СТМ-ИЭЦ
Удерживая кончик сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в фиксированном положении над поверхностью и изменяя напряжение смещения, можно записать ВАХ. Этот метод называется сканирующей туннельной спектроскопией (СТС). Первая производная дает информацию о локальной плотности состояний (LDOS) подложки, предполагая, что острие имеет постоянную плотность состояний. Вторая производная дает информацию о колебаниях адсорбата, как в IETS, поэтому этот метод обычно называют STM-IETS. В этом случае роль изолирующего оксидного слоя играет зазор между острием и адсорбатом.
STM-IETS был впервые продемонстрирован Стипе, Резаи и Хо в 1998 году, через семнадцать лет после разработки STM. Требования криогенных температур и чрезвычайной механической стабильности (механические колебания наконечника над адсорбатом должны иметь амплитуды в диапазоне пикометров или меньше) делают этот метод экспериментально сложным для реализации.
В последние годы были созданы молекулярные транспортные переходы с одной единственной молекулой между двумя электродами, иногда с дополнительным электродом затвора рядом с молекулой. Преимущество этого метода по сравнению с STM-IETS заключается в том, что между обоими электродами и адсорбатом существует контакт, тогда как в STM-IETS всегда существует туннельный зазор между наконечником и адсорбатом. Недостатком этого метода является то, что экспериментально очень сложно создать и идентифицировать соединение с ровно одной молекулой между электродами.
Техника STM-IETS была распространена на спиновые возбуждения отдельного атома Андреасом Дж. Генрихом , Дж. А. Гуптой, К. Лутцем и Доном Эйглером в 2004 году в IBM Almaden. В частности, они исследовали переходы между зеемановскими расщепленными состояниями атома Mn на различных поверхностях проводящих поверхностей, покрытых изолирующими тонкими пленками. Позже этот метод был применен для исследования атомных спиновых переходов спиновых цепочек Mn, содержащих до 10 атомов, собранных один за другим, также в IBM Almaden в 2006 году группой под руководством Андреаса Дж. Генриха. Результаты показали, что спиновая цепочка Mn является реализацией одномерной модели Гейзенберга для S = 5/2 спинов. STM-IETS также использовался для измерения атомных спиновых переходов, расщепленных одноионной магнитной анизотропией отдельных атомов и молекул. Основной физический механизм, который позволяет туннельным электронам возбуждать атомные спиновые переходы, изучался несколькими авторами. В то время как наиболее частый режим работы исследует спиновые возбуждения из основного состояния в возбужденные состояния, возможность вывести систему из состояния равновесия и зондирующий переход между возбужденными состояниями, а также возможность управления ориентацией спина отдельных атомов со спиновой поляризацией. также сообщалось о токах. В случае связанных спиновых структур метод предоставляет информацию не только об энергиях спиновых возбуждений, но и об их разбросе по структуре, что позволяет отображать моды спиновых волн в спиновых цепочках наноинженерии.