Диссертация (1150502), страница 10
Текст из файла (страница 10)
А для измерения третьейпроекции спина электрона на ось, перпендикулярную плоскости поверхности, необходимоиспользовать два детектора Мотта. В этом случае данная конфигурация называется 3D детектор Мотта и показана на рисунке 2.10 (в).2D детектор Мотта используется в настоящее время в экспериментальных установках PHOENEXS, RGBL2 (синхротрон BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin, РоссийскоГерманская лаборатория), Spin-ARPES на канале i3 (синхротрон MAXLab, Швеция, Лунд).50Рисунок 2.10: (а) - Траектория движения электронов в методе фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением [97], (б) - 2D детектор Мотта, установленный на анализатор Scienta R4000 и измеряющий две проекции спина электрона навзаимно перпендикулярные оси в плоскости поверхности образца (при нормальной эмиссии) [90], (в) - 3D детектор Мотта, измеряющий три взаимно перпендикулярные проекции спина, третья проекция перпендикулярна плоскости поверхности образца.
[90].3D детектор Мотта используется в спектрометре Нанолаб (ресурсный центр Научного паркаСПбГУ “Физические методы исследования поверхности”).2.2Дифракция медленных электронов (ДМЭ)Метод дифракции медленных электронов (ДМЭ или англ. LEED) - это широко используемый метод характеризации поверхности. Этот метод также позволяет получать информациюо двумерных структурах, возникающих на поверхности монокристалла при адсорбции газовили при напылении на поверхность тонких пленок различных веществ [98, 99]. Пусть монохроматический пучок электронов с длиной волны падает перпендикулярно на поверхность,представляющую собой набор периодически расположенных центров рассеяния, с межатомным расстоянием (рисунок 2.11 (б)).
При этом каждый электрон будет рассеиваться наатоме и условие дифракции выглядит следующим образом:√︃ℎ21(sin − sin 0 ) = · = ·· √︀2 · (2.19)51где 0 - угол падения первичного пучка электронов, - угол рассеяния электронной волны(по отношению к нормали поверхности), - расстояние между рассеивающими центрами, порядок интерференции (целое число), - кинетическая энергия электронов в падающемпучке, - длина волны де Бройля для электронов, () =√ ℎ2≈ 1 − 2 Å для электроновс энергией, характерной для ДМЭ (30-250 эВ), что позволяет наблюдать дифракцию накристаллической решетке поверхности (т.е. ∼ межатомному расстоянию или постояннойрешетки ).
При этом, длина свободного пробега электронов с данными энергиями соответствует ∼ 10 Å (рисунок 2.2), делая метод ДМЭ поверхностно-чувствительным методом.Рисунок 2.11: (а) - Схема стандартной трехсеточной установки ДМЭ, (б) - дифракциямедленных электронов от атомной структуры в формализме Брэгга, (в) - схема получения изображения ДМЭ, экспериментально полученная картина ДМЭ представлена дляграфена на поверхности Ni(111) при энергии первичных электронов = 140 эВ [21]При нормальном падении (0 = 0), выражение 2.19 можно переписать: sin = (2.20)Поскольку поверхность монокристалла – это набор периодически упорядоченных атомов(с периодом в несколько Å), то при упругом рассеянии электронов с энергией в диапазоне30-250 эВ (большая поверхностная чувствительность, так как средняя длина пробега таких низкоэнергетических электронов мала и составляет несколько атомных слоев) должнанаблюдаться дифракционная картина.Для экспериментов с ДМЭ наиболее удобен и чаще всего используется полусферическийтрехсеточный анализатор с задерживающим полем, снабженный флуоресцентным экраномдля непосредственного наблюдения дифракционной картины (рисунок 2.11 (а)).
Образец,52последняя апертурная линза и первая сетка заземлены. Таким образом, электроны, эмитированные катодом, ускоряются до энергии еV, а затем движутся и рассеиваются на образцев бесполевом пространстве. Потенциал второй и третьей сеток близок к потенциалу катода,но несколько меньше по абсолютной величине: −( − ∆ ). Чем больше ∆ , тем ярче картина ДМЭ, но тем выше уровень интенсивности фона. Поэтому, задерживающий потенциалнастраивается так, чтобы получить картину ДМЭ с максимальным контрастом.
Флуоресцентный экран находится под потенциалом порядка +5 кВ.Картина ДМЭ отражает структуру решетки в обратном пространстве. На рисунке 2.11(в) слева представлена гексагональная кристаллическая структура графена, синтезированного на поверхности монокристалла Ni(111), а справа наблюдаемая картина ДМЭ для даннойповерхности при энергии первичных электронов = 140 эВ. Гексагональная структура графена в обратном пространстве также представляет собой шестиугольник (см. параграф 1.3данной работы).
На картине ДМЭ мы наблюдаем упорядоченную гексагональную структуруграфена, которая находится в хорошем соответствии с подложкой Ni, так как их рефлексысовпадают. Полный структурный анализ из данных ДМЭ возможен на основе динамическойтеории рассеяния.
В настоящей работе метод используется для определения простых характеристик поверхности, таких как упорядоченность поверхности, появление (отсутствие)реконструкции, ориентация, наличие оси симметрии определенного порядка на исследуемойповерхности.2.3Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)Рассмотрим два электрода, расположенные достаточно близко друг к другу. Когда расстояние между электродами порядка нескольких ангстрем, возникает туннельный ток.
Туннелирование - это исключительно квантовый эффект. В случае малых расстояний междуметаллическими электродами электрон преодолевает потенциальный барьер (даже если егоэнергии недостаточно для этого) и переходит из одного электрода в другой без эмиссии ввакуум. Когда электроды соединены электрической цепью, туннельный ток пренебрежимомал, так как уровни Ферми выравниваются и уже не существует свободных состояний,на которые электрон мог бы перейти. Однако ситуация изменится, если приложить напряжение между электродами.
Тянущее напряжение будет сдвигать , в результате чегобудет преобладать туннелирование из заполненных состояний одного электрода на свободные состояния другого электрода. В этом случае появляется незначительный туннельныйток порядка нА диапазона. Направление туннелирования очевидно зависит от полярности53приложенного напряжения . Данный эффект проиллюстрирован на рисунке 2.12 (а), гдепоказана энергетическая зонная структура двух электродов при приложенном напряжении = 0 и > 0, соответственно.Рисунок 2.12: (а) - Энергетическая диаграмма, показывающая явление туннелированияэлектронов через потенциальный барьер между иглой СТМ и образцом [100].
(б) - Основные элементы и принцип действия СТМ.Простое теоретическое описание явления туннелирования дается в рамках модели с одномерным прямоугольным барьером (сплошные линии на рисунке 2.12 (а)). В этом приближе√2нии коэффициент прохождения электрона через барьер описывается как ∼ − ~ · 2(0 −) ,где обозначает ширину барьера, а потенциал 0 - его высоту.
Когда мы прикладываемнебольшое тянущее напряжение , возникает туннельный ток, который можно описать вы-54ражением:где ∼√4 2,~√(︁ )︁2 √︁− Φ =· 2 Φ · ·~(2.21)а Φ - средняя работа выхода двух электродов, обычно порядка несколькихэВ. Выражение 2.21 показывает, что туннельный ток будет меняться на несколько порядков при изменении величины на 2.5 Å (высота одноатомной ступени).
Такая сильнаязависимость туннельного тока от ширины барьера является основным принципом методасканирующей туннельной микроскопии (СТМ).Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), как устройство записи топографии поверхности проводящих материалов, была изобретена Г.К. Биннингом и Г.
Рорером, за чтов 1986 году они получили Нобелевскую премию по физике “for their design of the scanningtunneling microscope” [101–104]. В СТМ первый электрод - это образец, а второй электрод- это очень острая игла с радусом вершины порядка нескольких сотен Å. Игла сканируетобразец при фиксированном напряжении , в то время как петля обратной связи удерживаетпостоянный туннельный ток путем регулировки положения иглы по высоте (т.е. барьера).В этом режиме (т.н. режим постоянного тока) игла “скользит” вдоль поверхности на постоянном расстоянии от нее. Схема эксперимента изображена на рисунке 2.12 (б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
