Изучение влияния формы туннельного барьера на туннельный ток в СТМ
Корнилов Олег Александрович
Санкт-Петербургский государственный университет

Научный руководитель: Владимиров Георгий Георгиевич, доктор физико-математических наук

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет исследовать не только морфологию поверхности образца, но и ее локальную электронную структуру. Для получения этой информации используют метод сканирующей туннельной спектроскопии (СТС). Метод заключается в исследовании зависимости туннельного тока, протекающего в системе острие-образец, от приложенного напряжения смещения (вольт-амперных характеристик туннельного перехода). Получаемая из этих данных информация об электронной структуре образца может быть сильно искажена влиянием различных факторов, которые не всегда можно учесть.

Целью данной работы являлось изучение влияния параметров туннельной системы на вид вольт-амперных характеристик на примере модельной системы вольфрам-золото. Эксперимент проводился на СТМ обычной конструкции на открытом воздухе. На рис. 1 приведены результаты серии измерений вольт-амперных характеристик(ВАХ), сделанных без замены острия. Кривая, соответствующая одному из первых сканов (рис.1а), оказалась асимметрична относительно знака напряжения, что свидетельствует о влиянии электронной структуры острия. При проведении многократных измерений с одним и тем же острием зависимость становится симметричной относительно знака напряжения (рис.1б).

рис. 1.

Из этого можно сделать вывод, что электронная структура острия изменилась, что может быть объяснено массопереносом с образца на острие. Анализ этих кривых без детального учета формы туннельного барьера приводит к аномально низким значениям работы выхода (меньше одного электрон-вольта). Это свидетельствует о том, что необходим более тщательный учет параметров, от которых зависит туннельный ток в СТМ.

В наиболее общем случае форма туннельного барьера зависит от работ выхода из материалов образца и острия, приложенного напряжения, расстояния между электродами. Кроме того, необходимо учитывать потенциал сил зеркального изображения. Проведенные расчеты вольт-амперных характеристик показали, что учет потенциала сил зеркального изображения приводит к различиям не только в значениях туннельного тока, но и в форме кривых. Кривые 1 и 2 (рис.2) соответствуют расчету без учета потенциала сил зеркального изображения и расчету с учетом потенциала сил зеркального изображения соответственно.

рис. 2

При изменении напряжения между острием и образцом может происходить термический разогрев острия, вызванный энергией, выделяющейся в приповерхностной области острия в процессе туннелирования электронов. Этот эффект может оказать влияние на вольт-амперные характеристики туннельного барьера, т.к. ширина зазора зависит от приложенного напряжения. Насколько сильно влияние этого эффекта на ВАХ можно видеть из сравнения кривых 2 и 3 (рис.2). Кривая 3 расчитана с учетом эффекта термического расширения.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

  1. Экспериментальные результаты свидетельствуют о необходимости тщательного учета параметров, влияющих на туннельный ток, для извлечения информации об электронной структуре образца.

  2. Форма туннельного барьера и ее изменение от приложенного напряжения оказывает существенное влияние на получаемые в СТС данные. Для анализа экспериментальных данных необходим детальный учет прозрачности туннельного барьера.

  3. Показано, что эффект термического расширения острия оказывает существенное влияние на форму вольт-амперных характеристик системы даже при малых по сравнению с работой выхода напряжениях смещения.

(c) АСФ России, 2001