Неупругая электронная туннельная спектроскопия - Inelastic electron tunneling spectroscopy

Схематическое изображение исследуемой системы с двумя металлическими контактами (левый и правый резервуары), молекулой (мостовой электронный уровень) и напряжением, приложенным между двумя контактами. Для обоих контактов предполагается широкополосный предел.
Оставили: У бегущих электронов недостаточно энергии, чтобы вызвать вибрацию. Может иметь место только упругое туннелирование.
Середина: При увеличении напряжения смещения выше V = E / e (где e - заряд электрона) бегущие электроны действительно обладают достаточной энергией для возбуждения колебаний с энергией E. Может иметь место неупругое туннелирование.
Правильно: Бегущие электроны также могут возбуждать и впоследствии повторно поглощать колебания, что приводит к упругому туннелированию второго порядка.

Неупругая электронная туннельная спектроскопия (IETS) представляет собой экспериментальный инструмент для изучения колебаний молекулярных адсорбатов на оксидах металлов. Он дает колебательные спектры адсорбатов с высокое разрешение (<0,5 мэВ) и высокая чувствительность (<1013 молекулы необходимы для обеспечения спектра).[1] Дополнительным преимуществом является то, что также могут наблюдаться оптически запрещенные переходы.[2] Внутри IETS оксидный слой с адсорбированными на нем молекулами помещается между двумя металлическими пластинами. А напряжение смещения применяется между двумя контактами. Энергетическая диаграмма устройства металл-оксид-металл при смещении показана на верхнем рисунке. Металлические контакты характеризуются постоянным плотность состояний, заполненный до Энергия Ферми. Предполагается, что металлы равны. Адсорбаты расположены на оксидном материале. Они представлены одним мостовым электронным уровнем, который представляет собой верхнюю пунктирную линию. Если изолятор достаточно тонкий, существует конечная вероятность того, что падающий электрон проходит через барьер. Поскольку энергия электрона этим процессом не изменяется, это упругий процесс. Это показано на левом рисунке.

Некоторые туннелирующие электроны могут терять энергию, возбуждая колебания оксида или адсорбата. Эти неупругие процессы приводят к появлению второго туннельного пути, который дает дополнительный токовый вклад в туннельный ток. Поскольку падающий электрон должен иметь достаточно энергии для возбуждения этой вибрации, существует минимальная энергия, которая является началом этого (неупругого) процесса. Это показано на среднем рисунке, где нижняя пунктирная линия соответствует вибронному состоянию. Эта минимальная энергия для электрона соответствует минимальному напряжению смещения, которое является началом дополнительного вклада. Неупругий вклад в ток мал по сравнению с упругим туннельным током (~ 0,1%) и более отчетливо виден в виде пика на вторая производная тока в напряжение смещения, как показано на нижнем рисунке.

Однако есть также важная поправка к упругой составляющей туннельного тока в начале. Это эффект второго порядка в связи электронов и колебаний, когда колебания испускаются и реабсорбируются, или наоборот. Это показано на верхнем рисунке справа. В зависимости от энергетических параметров системы эта поправка может быть отрицательной и может перевешивать положительный вклад неупругого тока, что приводит к провалу в спектре IETS. Это экспериментально подтверждено как в обычных IETS.[3] и в STM-IETS[4] и также предсказывается теоретически.[5] Могут наблюдаться не только пики и провалы, но в зависимости от энергетических параметров также могут наблюдаться особенности, подобные производным, как экспериментально.[6] и теоретически.[7]

СТМ-ИЭЦ

Изменение наклона зависимости тока от напряжения приводит к скачку первой производной и пику второй производной тока от напряжения.

Держа кончик сканирующий туннельный микроскоп (STM) в фиксированном положении по поверхности и качая напряжение смещения, можно записать ВАХ. Эта техника называется сканирующая туннельная спектроскопия (СТС). Первая производная дает информацию о локальной плотности состояний (LDOS) подложки, предполагая, что острие имеет постоянную плотность состояний. Вторая производная дает информацию о колебаниях адсорбата, как в IETS, поэтому этот метод обычно называют STM-IETS. В этом случае роль изолирующего оксидного слоя играет зазор между острием и адсорбатом.

STM-IETS был впервые продемонстрирован Стипе, Резаи и Хо в 1998 году, через семнадцать лет после разработки STM.[8] Требования к криогенным температурам и чрезвычайной механической устойчивости (механические колебания наконечника над адсорбатом должны иметь амплитуды в диапазоне пикометры или меньше) сделать этот метод экспериментально сложным для реализации.

В последние годы были созданы молекулярные транспортные переходы с одной единственной молекулой между двумя электродами, иногда с дополнительным электродом затвора рядом с молекулой.[9][10][11] Преимущество этого метода по сравнению с STM-IETS заключается в том, что между обоими электродами и адсорбатом существует контакт, тогда как в STM-IETS всегда существует туннельный зазор между наконечником и адсорбатом. Недостатком этого метода является то, что экспериментально очень сложно создать и идентифицировать соединение с ровно одной молекулой между электродами.

Техника STM-IETS была распространена на спиновые возбуждения отдельного атома с помощью Андреас Дж. Генрих, Дж. А. Гупта, К. Лутц и Дон Эйглер в 2004 году в IBM Almaden.[12] В частности, они исследовали переходы между зеемановскими расщепленными состояниями атома Mn на различных поверхностях проводящих поверхностей, покрытых изолирующими тонкими пленками. Позже этот метод был применен для исследования атомных спиновых переходов спиновых цепочек Mn из 10 атомов, собранных один за другим, также в IBM Almaden в 2006 году командой под руководством Андреаса Дж. Генриха.[13] Результаты показали, что спиновая цепочка Mn является реализацией одномерного Модель Гейзенберга для S = 5/2 спинов. STM-IETS также использовался для измерения атомных спиновых переходов, расщепленных одноионной магнитной анизотропией отдельных атомов.[14][15][16] и молекулы.[17] Основной физический механизм, который позволяет туннельным электронам возбуждать атомные спиновые переходы, изучался несколькими авторами.[18][19][20] В то время как наиболее частый режим работы исследует спиновые возбуждения из основного состояния в возбужденные состояния, возможность вывести систему из равновесия и зондирующий переход между возбужденными состояниями, а также возможность управления спиновой ориентацией отдельных атомов со спиновой поляризацией. также сообщалось о токах.[21] В случае связанных спиновых структур метод предоставляет информацию не только об энергиях спиновых возбуждений, но и об их разбросе по структуре, что позволяет отображать моды спиновых волн в спиновых цепочках наноинженерии.[22]

Рекомендации

  1. ^ Langan, J; Хансма, П. (1975). «Можно ли измерить концентрацию поверхностных частиц с помощью неупругого электронного туннелирования? ☆». Наука о поверхности. 52 (1): 211–216. Bibcode:1975SurSc..52..211L. Дои:10.1016/0039-6028(75)90020-5.
  2. ^ К.В. Хиппс и У. Мазур (2001) Туннельная спектроскопия неупругих электронов, Справочник Колебательная спектроскопия, ISBN  978-0-471-98847-2
  3. ^ Байман, А .; Hansma, P .; Каска, В. (1981). «Сдвиги и провалы в спектрах неупругого туннелирования электронов из-за среды туннельного перехода». Физический обзор B. 24 (5): 2449. Bibcode:1981ПхРвБ..24.2449Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.24.2449.
  4. ^ Hahn, J .; Lee, H .; Хо, В. (2000). «Электронный резонанс и симметрия в одиночном неупругом туннелировании электронов». Письма с физическими проверками. 85 (9): 1914–7. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.1914Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.1914. PMID  10970646.
  5. ^ Persson, B .; Баратов, А. (1987). «Неупругое туннелирование электронов из металлического острия: вклад резонансных процессов». Письма с физическими проверками. 59 (3): 339–342. Bibcode:1987ПхРвЛ..59..339П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.339. PMID  10035735.
  6. ^ Ван, Вэньонг; Ли, Тахи; Крецшмар, Илона; Рид, Марк А. (2004). "Неупругая электронная туннельная спектроскопия самоорганизованного монослоя алканедитиола". Нано буквы. 4 (4): 643. Bibcode:2004NanoL ... 4..643Вт. Дои:10.1021 / nl049870v.
  7. ^ Мии, Такаши; Тиходеев, Сергей; Уэба, Хирому (2003). «Спектральные особенности неупругого электронного транспорта через локализованное состояние». Физический обзор B. 68 (20): 205406. Bibcode:2003ПхРвБ..68т5406М. Дои:10.1103 / PhysRevB.68.205406.
  8. ^ Stipe, B.C .; Rezaei, M. A .; Хо, W. (1998). "Колебательная спектроскопия и микроскопия одиночных молекул". Наука. 280 (5370): 1732–1735. Bibcode:1998Sci ... 280.1732S. Дои:10.1126 / science.280.5370.1732. PMID  9624046.
  9. ^ Smit, R.H.M .; Noat, Y .; Untiedt, C .; Lang, N.D .; Van Hemert, M.C .; Ван Руйтенбек, Дж. М. (2002). «Измерение проводимости молекулы водорода». Природа. 419 (6910): 906–9. arXiv:cond-mat / 0208407. Bibcode:2002Натура.419..906С. Дои:10.1038 / природа01103. PMID  12410305.
  10. ^ Пак, Дживун; Pasupathy, Abhay N .; Голдсмит, Йонас I .; Чанг, Конни; Yaish, Yuval; Петта, Джейсон Р .; Ринкоски, Мари; Сетна, Джеймс П .; и другие. (2002). «Кулоновская блокада и эффект Кондо в одноатомных транзисторах». Природа. 417 (6890): 722–5. Bibcode:2002Натура 417..722П. Дои:10.1038 / природа00791. PMID  12066179.
  11. ^ Лян, Вэньцзе; Шорс, Мэтью П .; Бократ, Марк; Лонг, Джеффри Р .; Парк, Гонконг (2002). «Кондо-резонанс в одномолекулярном транзисторе». Природа. 417 (6890): 725–9. Bibcode:2002Натурал.417..725л. Дои:10.1038 / природа00790. PMID  12066180.
  12. ^ Генрих, А. Дж.; Gupta, J. A .; Lutz, C.P .; Эйглер, Д. (2004-10-15). "Одноатомная спин-флип-спектроскопия". Наука. 306 (5695): 466–469. Bibcode:2004Наука ... 306..466H. Дои:10.1126 / science.1101077. ISSN  0036-8075. PMID  15358866.
  13. ^ Hirjibehedin, Cyrus F .; Lutz, Christopher P .; Генрих, Андреас Дж. (19 мая 2006 г.). «Спиновая связь в инженерных атомных структурах». Наука. 312 (5776): 1021–1024. Bibcode:2006Научный ... 312.1021H. Дои:10.1126 / science.1125398. ISSN  0036-8075. PMID  16574821.
  14. ^ Hirjibehedin, Cyrus F .; Линь, Чиунг-Юань; Отте, Александр Ф .; Тернес, Маркус; Lutz, Christopher P .; Джонс, Барбара А .; Генрих, Андреас Дж. (2007-08-31). «Большая магнитная анизотропия спина одного атома, встроенного в поверхностную молекулярную сеть». Наука. 317 (5842): 1199–1203. Bibcode:2007Научный ... 317.1199H. Дои:10.1126 / science.1146110. ISSN  0036-8075. PMID  17761877.
  15. ^ Хаджетурян, Александр А .; Чилиан, Бруно; Вибе, Йенс; Шувалов, Сергей; Лечерманн, Франк; Визендангер, Роланд (2010-10-28). «Обнаружение возбуждения и намагничивания отдельных примесей в полупроводнике». Природа. 467 (7319): 1084–1087. Bibcode:2010Натура.467.1084K. Дои:10.1038 / природа09519. ISSN  0028-0836. PMID  20981095.
  16. ^ Рау, Илеана Г .; Бауманн, Сюзанна; Руспони, Стефано; Донати, Фабио; Степанов, Себастьян; Граньяниелло, Лука; Драйзер, Ян; Пьямонтезе, Синтия; Нолтинг, Фритхоф (2014-05-08). «Достижение предела магнитной анизотропии трехмерного атома металла». Наука. 344 (6187): 988–992. Bibcode:2014Научный ... 344..988R. Дои:10.1126 / science.1252841. ISSN  0036-8075. PMID  24812206.
  17. ^ Цукахара, Нориюки (01.01.2009). «Вызванное адсорбцией переключение магнитной анизотропии в одиночной молекуле фталоцианина железа (II) на окисленной поверхности Cu (110)». Письма с физическими проверками. 102 (16): 167203. Bibcode:2009ПхРвЛ.102п7203Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.167203. PMID  19518750.
  18. ^ Фернандес-Россье, Дж. (1 января 2009 г.). "Теория односпиновой неупругой туннельной спектроскопии". Письма с физическими проверками. 102 (25): 256802. arXiv:0901.4839. Bibcode:2009ПхРвЛ.102у6802Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.256802. PMID  19659108.
  19. ^ Перссон, Матс (01.01.2009). "Теория неупругого туннелирования электронов от локализованного спина в импульсном приближении". Письма с физическими проверками. 103 (5): 050801. arXiv:0811.2511. Bibcode:2009PhRvL.103e0801P. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.050801. PMID  19792476.
  20. ^ Лоренте, Николас (01.01.2009). «Эффективные спиновые переходы в неупругой электронно-туннельной спектроскопии». Письма с физическими проверками. 103 (17): 176601. arXiv:0904.4327. Bibcode:2009PhRvL.103q6601L. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.176601. PMID  19905777.
  21. ^ Лот, Себастьян; фон Бергманн, Кирстен; Тернес, Маркус; Отте, Александр Ф .; Lutz, Christopher P .; Генрих, Андреас Дж. (2010-05-01). «Управление состоянием квантовых спинов с помощью электрического тока». Природа Физика. 6 (5): 340–344. Bibcode:2010НатФ ... 6..340л. Дои:10.1038 / nphys1616. ISSN  1745-2473.
  22. ^ Spinelli, A .; Bryant, B .; Delgado, F .; Fernández-Rossier, J .; Отте, А. Ф. (1 августа 2014 г.). «Изображение спиновых волн в атомных наномагнетиках». Материалы Природы. 13 (8): 782–785. arXiv:1403.5890. Bibcode:2014НатМа..13..782С. Дои:10.1038 / nmat4018. ISSN  1476-1122. PMID  24997736.