Giới thiệu
Cơ chế làm thế nào mật độ của các tiểu bang ảnh hưởng đến phổ V-A của đường giao nhau đường hầm
Máy quét quang phổ đường hầm (STS) là một kỹ thuật thực nghiệm sử dụng kính hiển vi đường hầm quét (STM) để dò mật độ các trạng thái điện tử (LDOS) và khoảng trống của các bề mặt và vật liệu trên bề mặt ở quy mô nguyên tử . Nói chung, STS liên quan đến việc quan sát sự thay đổi của các bản đồ địa hình liên tục với sự thiên vị của mẫu tip, đo địa phương đường cong đường hầm so với đường cong mẫu tip (IV), đo độ dẫn đường hầm, {\ displaystyle dI / dV} dI / dV , hoặc nhiều hơn một trong số này. Kể từ khi dòng hầm trong một kính hiển vi đường hầm quét chỉ chảy trong một khu vực có đường kính ~ 5 Å, STS là bất thường so với các kỹ thuật quang phổ bề mặt khác, trung bình trên một vùng bề mặt lớn hơn. Nguồn gốc của STS được tìm thấy trong một số công trình STM sớm nhất của Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, trong đó họ quan sát thấy sự thay đổi trong sự xuất hiện của một số nguyên tử trong đơn vị tế bào (7 x 7) của Si (111) – (7 x 7) bề mặt với sự thiên vị mẫu tip STS cung cấp khả năng thăm dò cấu trúc điện tử địa phương của kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện mỏng ở quy mô không thể so sánh với các phương pháp quang phổ khác. Ngoài ra, dữ liệu địa hình và quang phổ có thể được ghi lại đồng thời.
Việc thu thập các bản đồ STM tiêu chuẩn ở nhiều sự thiên vị khác nhau của mẫu tip và so sánh với thông tin địa hình thực nghiệm có lẽ là phương pháp phổ quát nhất. Xu hướng mẫu-tip cũng có thể được thay đổi trên cơ sở từng dòng trong một lần quét. Phương pháp này tạo ra hai hình ảnh xen kẽ ở các thành kiến khác nhau. Vì chỉ có các trạng thái giữa các mức Fermi của mẫu và đầu góp phần vào {\ displaystyle I} I, nên phương pháp này là một cách nhanh chóng để xác định xem có bất kỳ đặc tính phụ thuộc thiên vị thú vị nào trên bề mặt hay không. Tuy nhiên, thông tin giới hạn về cấu trúc điện tử có thể được trích ra bằng phương pháp này, vì các bản đồ địa hình liên tục \ I \ displaystyle I} I phụ thuộc vào đầu và mẫu của DOS và xác suất truyền đường hầm, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các đầu mũi, như được mô tả trong phương trình (5).
Bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế, một bản đồ địa hình liên tục và không gian được giải quyết {\ displaystyle dI / dV} dI / dV có thể được lấy đồng thời. Điện áp điều biến sin sin cực tím tần số cao được đặt chồng lên đỉnh D.C. Thành phần A.C. của dòng tunneling được ghi lại bằng bộ khuếch đại khóa, và thành phần trong pha với sự điều chế thiên vị đỉnh-tip cho {\ displaystyle dI / dV} dI / dV trực tiếp. Biên độ của điều chế Vm phải được giữ nhỏ hơn khoảng cách của các đặc tính quang phổ đặc trưng. Sự mở rộng gây ra bởi biên độ điều chế là 2 eVm và nó phải được bổ sung vào việc mở rộng nhiệt độ 3,2 kBT. Trong thực tế, tần số điều chế được chọn cao hơn một chút so với băng thông của hệ thống phản hồi STM. Sự lựa chọn này ngăn cản kiểm soát thông tin phản hồi bù đắp cho điều chế bằng cách thay đổi khoảng cách tip-mẫu và giảm thiểu dòng điện định vị 90 ° ở ngoài pha với điều chế thiên vị áp dụng. Các hiệu ứng này phát sinh từ điện dung giữa mũi và mẫu, nó phát triển khi tần số điều biến gia tăng.
Để có được đường cong I-V đồng thời với bản đồ, một mạch lấy mẫu và giữ được sử dụng trong vòng phản hồi cho tín hiệu z pie. Mạch giữ mẫu và giữ điện áp được áp dụng cho các piezo z, làm đóng băng khoảng cách đầu, ở vị trí mong muốn cho phép đo I-V mà không có hệ thống phản hồi đáp ứng . Xu hướng mẫu tip được quét giữa các giá trị được chỉ định, và dòng tunneling được ghi lại. Sau khi thu được phổ, sự thiên vị của mẫu tip được trả lại cho giá trị quét, và quét trở lại. Sử dụng phương pháp này, cấu trúc điện tử địa phương của chất bán dẫn trong khoảng trống băng có thể được thăm dò.
Có hai cách để ghi lại đường cong I-V theo cách được mô tả ở trên. Trong quang phổ đường hầm quét dò không đổi (CS-STS), đầu dò dừng quét tại vị trí mong muốn để có được một đường cong I-V. Khoảng cách giữa các mẫu tip được điều chỉnh để đạt được dòng điện ban đầu mong muốn, có thể khác với giá trị đặt ban đầu ban đầu, tại một sự thiên vị mẫu tip. Một bộ khuếch đại mẫu và giữ giữ lại tín hiệu phản hồi bằng dây hàn z, giữ hằng số khoảng cách tip-tip bằng cách ngăn cản hệ thống phản hồi thay đổi xu hướng áp dụng cho piezo z. Các tip-mẫu thiên vị được quét qua các giá trị quy định, và đường hầm hiện được ghi lại. Sự khác biệt số học của I (V) hoặc sự phát hiện khóa trong mô tả ở trên cho kỹ thuật điều chế có thể được sử dụng để tìm {\ displaystyle dI / dV} dI / dV. Nếu phát hiện khóa được sử dụng, sau đó điện áp điều chế A.C. được áp dụng cho D.C. tip-mẫu thiên vị trong thời gian quét thiên vị và thành phần A.C. của hiện tại trong giai đoạn với điện áp điều chế được ghi lại.
Trong quang phổ hầm dò quét đường viền (VS-STS), các bước tương tự xảy ra như trong CS-STS thông qua việc tắt phản hồi. Khi xu hướng mẫu tip được quét qua các giá trị được chỉ định, khoảng cách giữa các tip và mẫu vật sẽ giảm liên tục khi cường độ của xu hướng giảm. Nhìn chung, một khoảng cách giữa các mẫu tip nhỏ nhất được chỉ định để ngăn không cho đầu bị rơi vào bề mặt mẫu tại sự thiên vị của mẫu tip 0 V. Các kỹ thuật điều chế và điều chế khóa được sử dụng để tìm ra độ dẫn, bởi vì dòng tunneling là một chức năng cũng như khoảng cách giữa các đầu mũi. Sự khác biệt số học của I (V) đối với V sẽ bao gồm sự đóng góp từ khoảng cách giữa các mẫu tip khác nhau. Được giới thiệu bởi Mårtensson và Feenstra để cho phép đo tính dẫn qua một vài mức độ, VS-STS rất hữu ích cho phép đo tính dẫn điện trên các hệ thống có khoảng cách lớn. Các phép đo như vậy là cần thiết để xác định chính xác các cạnh dải và kiểm tra khoảng cách cho các trạng thái.