Диссертация (1150502), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Траекторияиглы отражает корругацию поверхности. В качестве - , - , - двигателей используютсяпьезоэлементы. Когда прикладывается электрическое поле, пьезокерамика высокого качества может приводить к смещению на несколько десятых Å, обеспечивая беспрецедентнуюточность позиционирования иглы (обратный пьезоэффект). Изменение напряжения на пьезоэлементе задается петлей обратной связи и повторяет корругацию поверхности образца.Таким образом, это напряжение записывается как искомый сигнал топографии в комбинациис - , - напряжениями сканирования. Разрешение СТМ в направлении по нормали поверхности зависит только от возможностей электроники корректно и с достаточной точностьюизмерять туннельный ток и контролировать положение иглы.
Латеральное разрешение,однако, зависит от нескольких факторов, таких как электронная структура образца, электронные свойства и геометрия иглы [105, 106].Вскоре после изобретения, метод СТМ стал демонстрировать возможности полученияизображений поверхности с атомным разрешением [102]. Если говорить о точности интерпретации таких изображений, то они могут не всегда представлять собой топографию,вследствие очень весомого влияния локальной электронной структуры образца и иглы.
Этотребует более точного описания в терминах квантовой механики. Теория СТМ, которая объ-55яснила природу атомного разрешения, была разработана в работах [106, 107], а позже быларазвита в работе [105], где рассматривалось приближение сферической вершины иглы (илилокального сферического потенциала иглы, который хорошо описывал приближение вершиныиглы к поверхности). В рамках данной теории выражение для туннельного тока запишетсякак: ∼ · 2 · (⃗0 , )(2.22)где - радиус сферической вершины иглы, - плотность состояний на уровне Ферми, 0обозначает центр сферы на вершине иглы [106].Данная формула очень важна, так как демонстрирует, что при фиксированном напряжении и фиксированном туннельном токе , игла СТМ следует вдоль контура постояннойплотности состояний на уровне Ферми.
Другими словами, СТМ скорее показывает пространственное распределение плотности электронных состояний, чем реальную топографию.В случае металлов ситуация как раз аналогична, так как электроны валентной зоны делокализованы и локальная плотность состояний равна полной плотности заряда [106, 108–110].В случае полупроводников ситуация несколько усложняется, так как функция (⃗0 , )имеет строгую зависимость от энергии и тогда в этом случае более общую формулу длятуннельного тока можно представить в виде [111]:∫︁ (⃗0 , ) · (, ) ∼(2.23) +где (, ) означает коэффициент прохождения электрона через потенциальный барьер.При получении высокого разрешения большое влияние оказывает качество и геометрияиглы.
Хорошая игла должна иметь один или несколько атомов на вершине, только в этомслучае возможно добиться атомного разрешения. Существуют различные методики подготовки игл СТМ. В 1990 году в работе [105] были представлены теоретические оценки предела разрешения СТМ. Было предсказано, что латеральное атомное разрешение может бытьдостигнуто, если волновые функции электронов на вершине иглы, которые участвуют в туннелировании, существенно локализованы. Поэтому, при использовании иглы из металла сбольшим вкладом состояний в валентной зоне, разрешение ограничено 10-12 Å.
А длятого, чтобы достичь атомарного разрешения изображения, игла должна быть изготовленаиз металла с состояниями в валентной зоне или полупроводника. Наиболее популярныематериалы для изготовления игл СТМ высокого разрешения - это W, Pt.Глава 3Эффекты индуцированной спиновойполяризации в тонких слоях металловВ данной главе рассматриваются эффекты индуцированной спиновой поляризации в низкоразмерных металлических системах, обусловленные спин-орбитальным взаимодействием.Данные эффекты привлекают большой интерес в последние годы благодаря большому спинорбитальному расщеплению электронных состояний (больше, чем в традиционных полупроводниках) и большим спиновым токам (больше, чем проявляются в спиновом эффекте Холлав металлах [112–114]).
Релятивистские эффекты являются основой для спинтроники, так какпозволяют управлять спином электрона без внешнего магнитного поля. Поэтому изучениеспиновой структуры низкоразмерных немагнитных металлических систем является непременно важным и интересным направлением фундаментальных исследований в современнойнауке.Исследования проводились методом фотоэлектронной спектроскопии с высоким угловыми спиновым разрешением в центре синхротронного излучения BESSY II (Helmholtz-ZentrumBerlin) на канале U125/2-SGM вывода синхротронного излучения. Измерения были выполнены на экспериментальной станции PHOENEXS с использованием полусферического энергоанализатора Phoibos фирмы SPECS и 2D детектора Мотта с ускоряющим напряжением26 кэВ.
Экспериментальные результаты подтверждены теоретическими расчетами, деталикоторых упоминаются в тексте следующих параграфов.56573.1Тонкий слой Au на поверхности W(110) и Mo(110)В кристаллах с центром инверсии электронные состояния в объеме являются вырождены по спину согласно теореме Крамерса, однако в полубесконечном кристалле вырождение Крамерса снимается, и поверхностные состояния расщепляются по спину.
МодельРашбы-Бычкова для двумерного электронного газа хорошо подходит для описания спинорбитального расщепления поверхностных состояний. При этом спин-орбитальное расщепление зависит только от градиента потенциала, перпендикулярного поверхности, оно линейноувеличивается с увеличением ‖ , и ориентация спина строго перпендикулярна ‖ (см. подробнее параграф 1.1). Модель Рашбы-Бычкова с расщеплением параболической зависимости,характерной для квазисвободных электронов, вдоль параллельной составляющей волновоговектора ‖ и противоположная спиновая поляризация состояний для противоположных познаку значениях ‖ показана на рисунке 3.1 (а), (б).Расщепление поверхностных состояний зависит главным образом от атомного номераматериала, определяющего градиент внутриатомного потенциала [19].
В частности, былообнаружено, что расщепление поверхностных состояний на Ag(111) (атомный номер Z=47)много меньше, чем на Au(111) (Z=79). Эффект Рашбы также наблюдался и для квантовыхэлектронных состояний (КЭС): в работе [116] было показано, что спиновая структура КЭС характера в тонких пленках Ag и Ag на W(110) согласуется с моделью Рашбы-Бычкова.Однако было обнаружено, что энергетическое расщепление фактически одинаково для Ag иAu, несмотря на их существенно различные атомные номера [116–118], в отличие от спиновойструктуры поверхностных состояний монокристаллов Ag(111) и Au(111) [19].
Кроме того,исследования спиновой структуры монослойных покрытий Au, Ag, Cu на W(110) (Z=74) иMo(110) (Z=42) показали, что спин-орбитальное расщепление этих состояний практическине зависит от атомного номера адсорбата, и для более легких металлов Ag и Cu величинарасщепления даже больше, чем для Au. Спин-орбитальное расщепление этих состоянийопределяется подложкой: для подложки Mo расщепление спин-поляризованных резонансов внапыленных монослоях благородных металлов много меньше, чем для W с большим атомнымномером [118, 119].В работах [115, 120, 121] было показано, что эффект Рашбы-Бычкова наблюдается в виде локальной поверхностной спиновой поляризации объемных состояний, как схематичнопоказано на рисунке 3.1 (в), (г). Данная спиновая поляризация является следствием спинзависимого отражения Блоховских волновых функций от поверхностного потенциальногобарьера при их движении из объема кристалла.
Разность плотности вероятности двух вол-58Рисунок 3.1: (а), (в) - Схематичное представление спиновой структуры поверхностных состояний и поверхностных резонансов, соответственно, формирование которойобусловлено индуцированным спин-орбитальным взаимодействием, (б), (г) - упрощеннаясхема формирования фотоэлектронных спектров со спиновым разрешением для случая(а), (в), соответственно. Красный и синий цвет соответствуют противоположнымпроекциям спина. (a), (б) - модель Рашбы-Бычкова [17], (в), (г) - модель КрасовскогоЧулкова [115]59новых функций с различными проекциями спина (для определенных значений E и ‖ ) приводит к биению спиновой плотности, которая затухает вглубь кристалла. Фотоэмиссия, какповерхностно чувствительный метод, позволяет регистрировать поверхностную поляризациюобъемных состояний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
