Изучение электрофизических свойств поверхности методами

туннельной микроскопии и спектроскопии

Путилов Алексей,аспирант 1 года ИФМ РАН

План

1. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

2. Режимы измерения

3. Изучение топографии поверхности

4. Локальная плотность состояний и ее измерение

5. Спектроскопия поверхности

6. Исследование сверхпроводящих материалов

7. Сканирующий туннельный микроскопUHV LT STM Omicron.

/

2exp

stm

dI

0ee

Незаполненные состояния образца

Заполненные состояния образца

tip sample

dV

e-

ts

0V

eVeV

Сканирующий туннельный микроскоп

0V 0V

tiptip

samplesample

Вычисление туннельного тока

0T

22

22exp,

eVmdeVt st

deVteVEfeVEfI tsFF ,

eV

ts deVteVI0

,

R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications, Cambridge, UK, 1994

Квазиклассическое приближение:

t

s

Режимы работы микроскопа

1) Режим постоянной высоты(без обратной связи)

2) Режим постоянного туннельного тока(с обратной связью)

Топография поверхности Локальная спектроскопия поверхности

dI 2exp

1) Измерение вольт-амперной характеристики при фиксированном

положении иглы

2) Модуляционное измерениедифференциальной проводимости

tVVV cos10

tVdV

dIVII

V

cos10

0

Топография поверхности Si(111)7х7

Топография поверхности Au(100)

T=77 K, I=6 nA, V=1 mV,10x10 nm

Задача Бардина. Метод туннельного гамильтониана

tКоэффициент прозрачности Матричный элемент туннельного перехода

Sdm

M LRRL

**

2

2

Left RightS

RL

T=0

M

eVEEMI nm

eVEmEneV

mn

0

0

2

,

RL UUTH ˆˆ

LnLLL EUT ,ˆ

RmLRR EUT ,ˆ

eV

ts dMeVI0

2

Tip: Sample:

0

0exp

rrk

rrkCt

zGkkGkriaGs

2

||2

|||| expexp

-локальная плотность состояний 2

0

1lim,

E

ENs

N

rEr

Sdm

M LRRL

**

2

2

Локальная плотность состояний

eV

ts dMeVI0

2

eV

tR

s dreVeI0

02 , Rdr tt 2exp020

2

dI 2exp

Спектроскопия. Измерение плотности состояний

ddV

eVeVtdeVeVteV

dV

dIs

eVt

st

0

,,01)

2)

deVeVeVteVt

eV

deVeVt

eVeVtdVd

eV

dV

dI

I

V

Vd

Id

st

eV

seV

tst

0

0

,,1

,,0

ln

ln

eV

ts deVteVI0

,

22

22exp,

eVmdeVt st

212exp,eV

deVt

12

eVd eVeVteV

dV

dIst ,0

2/st

Примеры спектроскопии Si(111), 7K

Vd

Id

ln

ln

Au(111)

Current image tunneling spectroscopy (CITS)

tVVV cos10

tVdV

dIVII

V

cos10

0

10 VV

yxdV

dIV

yxzconstIV

V

,

,

0

1

00

Численный расчет: метод функционала плотности (DFT)

CITS

DFT

Спектроскопия сверхпроводящего состояния

22

Ns

22Re eVI

Абрикосов. Основы теории металлов

T=00.2 Tc0.4 Tc0.6 Tc0.8 Tc

Наблюдение сверхпроводящей щели в NbSe2

- zero bias conductance:0

VdV

dIG

Vscan = 100 mVI = 0.5 nAVosc = 0.4 mV400x400 nm

Рабочее давление 10е-10 mbar

Температура образца и иглы 300 - 2.5 К

Перпендикулярное образцумагнитное поле 0-0,16Тл

Область сканирования до 2х2мкм (LHe); 4х4 мкм (LN2)

Сканирующий туннельный микроскоп Omicron

Электронно-лучевые испарителидля точного напыления тонкослойных структур

Ионная пушка (Ar+) для очитки образцов

Некоторые результаты измерений. Si(111)7x7

V>0. Незаполненные состояния образца V<0. Заполненные состояния образца

Топологический изолятор Bi2Te3.

200 mV 250 mV 300 mV 350 mV

I = 60 pA, 5x5nm

Некоторые результаты измерений

3x3 nm, 200 pA, 50 mV

NbSe2

Спасибо за внимание!