Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) – один из самых интересных методов изучения строения вещества на нанометровых и атомных масштабах. С помощью СТМ получаются замечательные изображения «отдельных атомов».

Изображения атомов действительно очень красивы. Вместе с тем, на атомных масштабах встает вопрос – что именно видит СТМ. То, какое изображение получается в СТМ, зависит от нескольких параметров. Основными из них являются работа выхода электронов из материалов образца и зонда, разность потенциалов между зондом и образцом и энергетические спектры электронов зонда и образца вблизи той области, через которую протекает туннельный ток. Такие энергетические спектры можно изучать, если использовать методику сканирующей зондовой спектроскопии – измерения зависимости туннельного тока от разности потенциалов между зондом и образцом. Эта зависимость часто называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) туннельного контакта. Для интерпретации ВАХ используются энергетические диаграммы, пример которой приведен на рис.1.

Вопрос 1. Положителен или отрицателен потенциал зонда относительно образца на рис.1 (1 балл)?

Вопрос 2. Нарисуйте в координатах (туннельный ток) / (потенциал зонда относительно образца) как будет выглядеть ВАХ туннельного контакта, энергетическая диаграмма которого изображена на рис.1 (1 балл)?

На рис.2 приведены примеры ВАХ туннельных контактов металлического зонда с поверхностями различных образцов.

Вопрос 3. Какие именно ВАХ на рис.2 соответствуют случаям, когда образец является:

• металлом,
• полупроводником c n-типом проводимости и высокой степенью легирования,
• полупроводником c p-типом проводимости и низкой степенью легирования,
• сверхпроводником в сверхпроводящем состоянии (1 балл)?

Вопрос 4. Нарисуйте схематично энергетические диаграммы туннельных контактов, ВАХ которых изображены на рис.2. Для каждой ВАХ нарисуйте две диаграммы, соответствующие различным знакам относительно образца (2 балла).

То, что СТМ чувствителен к энергетическому спектру электронов вблизи того участка поверхности образца, через который течет туннельный ток, приводит к тому, что один и тот же атом может выглядеть по-разному в зависимости от разности потенциалов между зондом и образцом. На рис.3 представлены изображения одиночного атома кислорода, адсорбированного на поверхности (110) монокристалла высоколегированного арсенида галлия (GaAs) с проводимостью n-типа. Оба изображения получены в режиме «топографии», когда система обратной связи СТМ поддерживает туннельный ток постоянным в процессе сканирования.

Вопрос 5. На обоих изображения видны не только атом кислорода, но и другие атомы. Атомы каких именно элементов видны на рис.3а и на рис.3б? Ответ обоснуйте (2 балл).

Вопрос 6. Почему адсорбированный атом кислорода, в зависимости от потенциала зонда относительно образца виден по-разному – то как выступ, то как впадина? Обоснуйте свой ответ (2 балла).

Вопрос 7. Почему размер изображения адсорбированного атома кислорода в плоскости поверхности значительно больше, чем размеры атомов мышьяка и галлия (3 балла)?

Условия задачи можно скачать в виде файла.