Методики исследований
При работе с поверхностью, содержащей адсорбированные частицы и/или тонкие пленки, необходимо принять во внимание ряд дополнительных факторов, связанных с особенностями протекания туннельного тока электронов через дополнительные потенциальные барьеры и промежуточные состояния, связанные с частицами и пленками, присутствующими в наноконтакте. Благодаря этим особенностям электронной структуры могут быть реализованы три режима туннелирования электронов:резонансное туннелирования, неупругое туннелирование электронов, сопровождающееся электронно-колебательным возбуждением адсорбированных частиц и кинетический режим. Анализ полученных вольт-амперных характеристик локальной области, содержащей те или иные дефекты, позволяет получить новую информацию о кинетике протекающих в системе реакций.
Резонансный режим туннелирования электронов
Схема резонансного туннелирования электронов через вакуумный промежуток, содержащий адсорбированную частицу, EF — уровень Ферми
Резонансное туннелирования электронов может иметь место, если острие или образец имеют свободный энергетический уровень, лежащий вблизи уровня Ферми острия (поверхностный дефекту или адсорбированная атомная частица). Влияние электронного уровня на ток туннелирующих электронов пренебрежимо, кроме того случая, когда энергия туннелирующего электрона совпадает с энергией промежуточного уровня. В этом случае происходит «просветление» потенциального барьера за счет двухэтапного туннелирования через уровень дефекта, что наблюдается как резкое увеличение туннельного тока.
Неупругое туннелирование электронов и возбуждение электронно-колебательных переходов в адсорбированных частицах
При захвате электрона на энергетический уровень электронной ловушки – дефекта или адсорбированной частицы, он может «задержаться» на нем на достаточно длительное время благодаря, например, потенциальному барьеру, связанному с оксидным слоем. Захват электрона, естественно, меняет поле сил, в котором находятся приповерхностные атомы, в том числе составляющие оксид, и адсорбированные частицы (атомы и молекулы). Электронно-колебательное возбуждение соответствующей связи идентифицируется по положению измеренной резонансной особенности вольт-амперной характеристики.
Кинетический режим туннелирования электронов
Туннелирование через тонкую оксидную пленку, содержащую единичный дефект: N=0 – ловушка опустошена, N-1 – ловушка заполнена
Если в достаточно толстой пленке оксида, образовавшейся на поверхности образца, содержится дефект, имеющий электронный уровень, лежащий под уровнем Ферми образца, то электрон может с большей вероятностью туннелировать на него. В этом случае дефект может рассматриваться как электронная ловушка, захват электрона на ее энергетический уровень – как зарядка ловушки. При этом проводимость наноконтакта СТМ резко падает, туннельный ток уменьшается, за счет появления дополнительного потенциального барьера, связанного с электрическим полем захваченного электрона.