Схематическое изображение исследуемой системы с двумя металлическими контактами (левый и правый резервуар), молекулой в (мостовой электронный уровень) и напряжением, приложенным между двумя контактами. Для обоих контактов предполагается предел широкой зоны. Слева : движущиеся электроны не имеют достаточной энергии для возбуждения вибрации. Может иметь место только упругое туннелирование. В середине : при увеличении напряжения смещения выше V=E/e (где e — заряд электрона) движущиеся электроны имеют достаточно энергии для возбуждения вибрации с энергией E. Может иметь место неупругое туннелирование. Справа : движущиеся электроны также могут возбуждать и впоследствии поглощать вибрацию, что приводит к упругому туннелированию второго порядка.
Неупругая электронная туннельная спектроскопия ( IETS ) является экспериментальным инструментом для изучения колебаний молекулярных адсорбатов на оксидах металлов . Она дает колебательные спектры адсорбатов с высоким разрешением (< 0,5 мэВ) и высокой чувствительностью ( для получения спектра требуется < 10 13 молекул). [1] Дополнительным преимуществом является тот факт, что можно также наблюдать оптически запрещенные переходы. [2] В IETS оксидный слой с адсорбированными на нем молекулами помещается между двумя металлическими пластинами. Между двумя контактами подается напряжение смещения . Энергетическая диаграмма устройства металл-оксид-металл под смещением показана на верхнем рисунке. Металлические контакты характеризуются постоянной плотностью состояний , заполненной до энергии Ферми . Предполагается, что металлы равны. Адсорбаты расположены на оксидном материале. Они представлены одним мостиковым электронным уровнем, который является верхней пунктирной линией. Если изолятор достаточно тонкий, существует конечная вероятность того, что падающий электрон туннелирует через барьер. Поскольку энергия электрона не изменяется в результате этого процесса, это упругий процесс. Это показано на левом рисунке.
Некоторые из туннелирующих электронов могут терять энергию, возбуждая колебания оксида или адсорбата. Эти неупругие процессы приводят ко второму туннельному пути, который дает дополнительный вклад тока в туннельный ток. Поскольку падающий электрон должен иметь достаточно энергии для возбуждения этого колебания, существует минимальная энергия, которая является началом этого (неупругого) процесса. Это показано на среднем рисунке, где нижняя пунктирная линия представляет собой вибронное состояние. 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 четко виден как пик во второй производной тока по напряжению смещения, как можно увидеть на нижнем рисунке.
Однако существует также важная поправка к упругой составляющей туннельного тока в начале. Это эффект второго порядка в электронно-колебательной связи, где вибрация испускается и поглощается 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 проверено как в обычном IETS [3] , так и в STM-IETS [4] , а также предсказано теоретически. [5] Могут наблюдаться не только пики и провалы, но в зависимости от энергетических параметров также могут наблюдаться производные-подобные особенности, как экспериментально [6], так и теоретически. [7]
STM-IETS
Изменение наклона зависимости тока от напряжения приводит к скачку в первой производной и к пику во второй производной тока от напряжения.
Удерживая иглу сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в фиксированном положении над поверхностью и изменяя напряжение смещения, можно записать IV характеристику. Этот метод называется сканирующей туннельной спектроскопией (СТС). Первая производная дает информацию о локальной плотности состояний (LDOS) подложки, предполагая, что игла имеет постоянную плотность состояний. Вторая производная дает информацию о колебаниях адсорбата, как в IETS, поэтому этот метод обычно называют СТМ-IETS. В этом случае роль изолирующего оксидного слоя играет зазор между иглой и адсорбатом.
STM-IETS впервые продемонстрировали Стайп, Резаи и Хо в 1998 году, через семнадцать лет после разработки STM. [8] Требования криогенных температур и экстремальной механической стабильности (механические колебания наконечника над адсорбатом должны иметь амплитуды в диапазоне пикометров или меньше) делают эту технику экспериментально сложной для реализации.
В последние годы молекулярные транспортные соединения были получены с одной молекулой между двумя электродами, иногда с дополнительным затворным электродом около молекулы. [9] [10] [11] Преимущество этого метода по сравнению с STM-IETS заключается в том, что существует контакт между обоими электродами и адсорбатом, тогда как в STM-IETS всегда есть 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.
Метод STM-IETS был распространен на спиновые возбуждения отдельного атома Андреасом Дж. Хайнрихом , Дж. А. Гуптой, К. Лутцем и Доном Эйглером в 2004 году в IBM Almaden. [12] В частности, они исследовали переход между расщепленными состояниями Зеемана атома Mn на различных проводящих поверхностях, покрытых тонкими изолирующими пленками. Позднее этот метод был применен для исследования атомных спиновых переходов спиновых цепочек Mn, состоящих из до 10 атомов, собранных один за другим, также в IBM Almaden в 2006 году в группе под руководством Андреаса Дж. Хайнриха. [13] Результаты показали, что спиновая цепочка Mn является реализацией одномерной модели Гейзенберга для спинов S=5/2. STM-IETS также использовался для измерения атомных спиновых переходов, расщепленных одноионной магнитной анизотропией отдельных атомов [14] [15] [16] и молекул. [17] Основной физический механизм, который позволяет туннелирующим 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, также сообщалось о возможности вывести систему из состояния равновесия и исследовать переход между возбужденными состояниями, а также о возможности управления ориентацией спина отдельных атомов с помощью спин-поляризованных токов. [21] В случае связанных спиновых структур метод предоставляет информацию не только об энергиях спиновых возбуждений, но и об их распространении по структуре, что позволяет визуализировать моды спиновых волн в наноинженерных спиновых цепях. [22]
Ссылки
^ Ланган, Дж.; Хансма, П. (1975). «Можно ли измерить концентрацию поверхностных видов с помощью неупругого электронного туннелирования? ☆». Surface Science . 52 (1): 211–216. Bibcode :1975SurSc..52..211L. doi :10.1016/0039-6028(75)90020-5.
^ Bayman, A.; Hansma, P.; Kaska, W. (1981). «Сдвиги и провалы в спектрах неупругого электронного туннелирования из-за окружения туннельного перехода». Physical Review B. 24 ( 5): 2449. Bibcode : 1981PhRvB..24.2449B. doi : 10.1103/PhysRevB.24.2449.
^ Hahn, J.; Lee, H.; Ho, W. (2000). «Электронный резонанс и симметрия в неупругом электронном туннелировании одиночной молекулы». Physical Review Letters . 85 (9): 1914–7. Bibcode : 2000PhRvL..85.1914H. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.1914. PMID 10970646.
^ Перссон, Б.; Баратофф, А. (1987). «Неупругое туннелирование электронов из металлического острия: вклад резонансных процессов». Physical Review Letters . 59 (3): 339–342. Bibcode :1987PhRvL..59..339P. doi :10.1103/PhysRevLett.59.339. PMID 10035735.
^ Ван, Вэньонг; Ли, Такхи; Кретцшмар, Илона; Рид, Марк А. (2004). «Неупругая электронная туннельная спектроскопия самоорганизующегося монослоя алкандитиола». Nano Letters . 4 (4): 643. Bibcode : 2004NanoL...4..643W. doi : 10.1021/nl049870v.
^ Мии, Такаши; Тиходеев Сергей; Уэба, Хирому (2003). «Спектральные особенности неупругого электронного транспорта через локализованное состояние». Физический обзор B . 68 (20): 205406. Бибкод : 2003PhRvB..68t5406M. doi : 10.1103/PhysRevB.68.205406.
^ Stipe, BC; Rezaei, MA; Ho, W. (1998). «Колебательная спектроскопия и микроскопия одиночных молекул». Science . 280 (5370): 1732–1735. Bibcode :1998Sci...280.1732S. doi :10.1126/science.280.5370.1732. PMID 9624046.
^ Смит, RHM; Ноат, Ю.; Унтидт, К.; Ланг, Северная Дакота; Ван Хемерт, MC; Ван Рейтенбек, JM (2002). «Измерение проводимости молекулы водорода». Природа . 419 (6910): 906–9. arXiv : cond-mat/0208407 . Бибкод : 2002Natur.419..906S. дои : 10.1038/nature01103. ПМИД 12410305.
^ Park, Jiwoong; Pasupathy, Abhay N.; Goldsmith, Jonas I.; Chang, Connie; Yaish, Yuval; Petta, Jason R .; Rinkoski, Marie; Sethna, James P.; et al. (2002). «Кулоновская блокада и эффект Кондо в одноатомных транзисторах». Nature . 417 (6890): 722–5. Bibcode :2002Natur.417..722P. doi :10.1038/nature00791. PMID 12066179.
^ Hirjibehedin, Cyrus F.; Lutz, Christopher P.; Heinrich, Andreas J. (2006-05-19). «Спиновая связь в спроектированных атомных структурах». Science . 312 (5776): 1021–1024. Bibcode :2006Sci...312.1021H. doi :10.1126/science.1125398. ISSN 0036-8075. PMID 16574821.
^ Hirjibehedin, Cyrus F.; Lin, Chiung-Yuan; Otte, Alexander F.; Ternes, Markus; Lutz, Christopher P.; Jones, Barbara A. ; Heinrich, Andreas J. (2007-08-31). "Большая магнитная анизотропия одиночного атомного спина, встроенного в поверхностную молекулярную сеть". Science . 317 (5842): 1199–1203. Bibcode :2007Sci...317.1199H. doi :10.1126/science.1146110. ISSN 0036-8075. PMID 17761877.
^ Хаджетуриан, Александр А.; Чилиан, Бруно; Вибе, Йенс; Шувалов, Сергей; Лехерманн, Франк; Визендангер, Роланд (28.10.2010). «Обнаружение возбуждения и намагничивания отдельных легирующих примесей в полупроводнике». Nature . 467 (7319): 1084–1087. Bibcode :2010Natur.467.1084K. doi :10.1038/nature09519. ISSN 0028-0836. PMID 20981095.
