Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Как видно из рис.5.12, г, логарифмическая дифференциальная ВАХ имеет гораздо более ярковыраженные особенности структуры плотности состояний, чемобычная дифференциальная ВАХ.Другая причина наблюдаемого различия плотности состояний инормированной дифференциальной ВАХ в области отрицательныхнапряжений заключается в том, что при V<0 туннельный ток врассматриваемом диапазоне напряжений, главным образом,определяется электронами, туннелирующими из заполненныхсостояний непосредственно под уровнем Ферми образца и вгораздо меньшей степени – электронами, туннелирующими из нижележащих электронных состояний 50).
Проведенный анализоснован на соотношениях (5.4, 5.5) и, следовательно, справедлив вприближении ферми-газа, т.е. дляпростых и благородныхметаллов. Вопрос об использовании соотношений (5.8, 5.9) дляпереходных металлов в настоящее время открыт.50)R.J. Hamers // Annu. Rev. Phys. Chem. 40 (1989) p.531.200Рис. 5.12. Результаты численногомоделирования туннельной вольтамперной (б), дифференциальнойтуннельной вольт-амперной (в) идифференциальной логарифмическойтуннельной вольт-амперной (г) характеристик для модельной плотности электронных состояний (DOS)(а).
Шкала энергии (эВ) совпадает сошкалой прикладываемого к образцунапряжения (В) 51)В качестве примера на рис.5.13 представлены дифференциальные туннельные ВАХ арсенида галлия n- и p-типа, легированногоSi и Zn соответственно. В обеих характеристиках заметны три пика,отвечающих зоне проводимости (С), валентной зоне (V) и электронным состояниям легирующей примеси (D), находящимся внутри запрещенной зоны полупроводника.
Расстояние между пикамивалентной зоны и зоны проводимости соответствует ширине запрещенной зоны объемного арсенида галлия Еg=1.43 эВ. Положение пиков C и V в спектрах относительно нулевого напряженияотвечает положению уровня Ферми вблизи дна зоны проводимостив полупроводнике n-типа и вблизи потолка валентной зоны в полупроводнике p-типа соответственно. При этом сдвиг по энергиимежду спектрами полупроводников n- и p-типов близок к величинеЕg 51).51)J.A. Kubby, J.J.
Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.201Рис. 5.13. Экспериментальныедифференциальные логарифмическиетуннельныевольтамперные характеристики дляповерхности GaAs(110) p- и nтипа. Характерные пики на обеих характеристиках соответствуют валентной зоне (V), зонепроводимости (C) и локализованным уровням атомов легирующей примеси в запрещенной зоне полупроводника (D) 52)Таким образом, измерение дифференциальных туннельныхспектров dI / dV = f (eV ) образцов позволяет получить качественную информацию о плотности электронных состояний ρ s (ε ) вразличных точках одного образца или разных образцов.
Вместе стем, необходимо отметить, что количественное сравнение дифференциальных туннельных спектров, измеренных в различных точках образца (образцов) с различной плотностью состояний ρ s (ε ) ,затруднительно. Действительно, локальная дифференциальная проGводимость образца в точке поверхности с радиусом-вектором rможет быть представлена в виде 52):GGGdI(V , r ) V =0 = A( I 0 ,V0 , r ) ⋅ ρ s ( E F , r ) ,dVGGGA( I 0 ,V0 , r ) = I 0 /[ N EF + eV0 (r ) − N EF (r )] ,гдеGN EF (r ) =EF∫ρsG(ε , r )dε–(5.10)аспектральная плотность электронных со-0Gстояний на уровне Ферми в точке образца с радиусом-вектором r ,52)В.Д.Борман, П.В.Борисюк, О.С.Васильев, М.А.
Пушкин, В.Н. Тронин, И.В. Тронин, В.И. Троян, Н.В. Скородумова, B. Johansson // Письма в ЖЭТФ86 (2007)с.450.202I 0 и V0– туннельныйток и напряжение, определяющие расстояниемежду зондом и поверхностью и остающиеся постоянными присканировании всего образца в режиме постоянного тока обратнойсвязи. Используя интегральное уравнение (5.10), из измеренныхметодом СТС туннельных ВАХ можно получить зависимость лоGкальной плотности состояний образца от координаты ρ s (ε , r ) сточностью до некоторой величины А, в свою очередь также являюGщейся функцией r . Поэтому определение туннельной плотностисостояний напрямую из эксперимента оказывается невозможно.Однако в том случае, когда плотность электронных состояний вычислена в рамках определенной модели, то выражение (5.10) позволяет определить параметры модели из сравнения экспериментальGных и расчетных значений dI / dV V =0 ( r ) .Метод СТМ также может использоваться для определения локальной работы выхода поверхности образца.
Действительно, работа выхода образца ϕ s определяет высоту потенциального барьера ивходит в выражение для постоянной затухания в вероятности туннелирования. Определить ее значение можно, если измерить экспериментальную зависимость туннельного тока I при некотором фиксированном напряжении V от расстояния между зондом и образцомd при известном значении работы выхода материала зонда ϕ t . Тогда наклон графика I (d ) , построенного в двойном логарифмическом масштабе, будет пропорционален квадратному корню от работы выхода:2 m(ϕ s + ϕ t + eV )d ln I=−.dd=(5.11)Примеры использования метода СТМ для исследования наноструктур и поверхности твердого тела приведены в разделе 5.5.5.3.
Аппаратура для СТМСхема сканирующего туннельного микроскопа представлена нарис.5.14 Зонд микроскопа укрепляется на держателе, размещенномна пьезокерамическом сканере, обеспечивающем перемещение зон-203да в трех направлениях. Напряжение V x и V y , подаваемое на пьезокристаллы, управляет сканированием зонда в плоскости поверхности образца, а напряжение V z , подаваемое на выходе цепи обратной связи и определяемое туннельным током и коэффициентомобратной связи, задает перемещение зонда в перпендикулярном кповерхности направлении.Рис.
5.14. Схематическое устройство сканирующего туннельного микроскопа 53) иобщий вид СВВ системы Omicron AFM/STM LF1 в Научно-образовательном центре “Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственногоуниверситетаОдин из вариантов устройства системы сканирования, основанной на использовании трубчатого прьезопривода, представлен нарис.5.15.
В данной схеме зонд крепится на основание пьезокерамической трубки, на внешнюю и внутреннюю поверхности которойнапылены металлические электроды. Внутренний электрод является сплошным, в то время как внешний разделен на четыресимметричных относительно оси трубки части. Пьезокерамикаобладает свойством расширения или сжатия под действиемприкладываемого к ней напряжения. Сканирование в плоскости(x,y) осуществляется отклонением пьезокерамической трубки приподаче разноименного напряжения на противоположные частивнешнего электрода, а перемещение зонда по оси z – сжатием илирастяжением трубки вдоль ее оси при подаче одинаковогонапряжения на все четыре внешних электрода относительновнутреннего электрода.53)S.F. Alvarado // Surface Review and Letters, 2 (1995) p.607.204Рис.5.15.
Схематическое изображение трубчатого пьезокерамического сканера СТМ. Навнешнюю и внутреннюю стороны пьезокерамической трубкинанесены металлические электроды. Внешний электрод разделен на четыре равные частивдоль трубки. Прикладывая одинаковое напряжение на все четыре внешних электрода относительно внутреннего электрода, засчет пьезоэффекта можно изменять длину пьезокерамическойтрубки. Прикладывая различноепо знаку напряжение (+V и –V) кпротивоположным частям внешнего электрода, можно заставитьтрубку изгибаться в ту или инуюсторону за счет сжатия одной еестороны и растяжения другой взависимости от знака прикладываемого напряжения 54)Устройство сканирования СТМ должно удовлетворять следующим требованиям:1) диапазон сканирования в плоскости (x,y) ~1 мкм с точностьюзадания перемещения ~0.1 Å;2) диапазон сканирования в направлении z ~1 мкм с точностью~0.01 Å;3) возможность грубого наведения зонда с точностью ~0.1 мкм;4) высокая механическая резонансная частота и низкая добротность узлов системы сканирования и держателя образца дляуменьшения шумов.В качестве пьезокерамики в СТМ используют цирконат.
К наиболее существенным недостаткам пьезокерамической системы сканирования является наличие гистерезиса при прямом и обратномпроходе сканирования, а также тепловой дрейф.54)J.A. Kubby, J.J. Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.205Отметим также, что сканирование может проводиться как зондом микроскопа при неподвижном образце, так и укрепленном напьезосканере образце при неподвижном зонде.Материалом зондов СТМ обычно служит проволока из платиныили платиноиридиевого сплава с диаметром ~0.5 мм. Использование более тонкой проволоки приводит к уменьшению ее жесткостии резонансной частоты, что повышает шумы и ухудшает разрешение прибора. Нанометровый радиус закругления острия проволокиобычно достигается ее откусыванием обычными ножницами приодновременном растяжении вдоль проволоки. Помимо этого, используется электрохимическое травление зонда при его медленномвытаскивании из раствора электролита.Необходимой частью любого сканирующего зондового микроскопа также является система виброизоляции, обеспечивающаяуменьшение колебаний образца относительно иглы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
