비탄성 전자 터널링 분광법

Inelastic electron tunneling spectroscopy
조사 대상 시스템의 개략도. 2개의 금속 접점(좌측 및 우측 탱크), 분자 입력(브릿지 전자 레벨) 및 두 접점 사이에 전압이 인가됩니다.광대역 제한은 양쪽 접점에 대해 가정합니다.
좌측: 이동하는 전자는 진동을 일으키기에 충분한 에너지가 없습니다.실행할 수 있는 것은 탄성 터널링뿐입니다.
중간: 바이어스 전압을 V=E/e(여기서 e는 전자 전하) 이상으로 높이면 이동 전자가 에너지 E와 함께 진동을 일으키기에 충분한 에너지를 가집니다.비탄성 터널링이 발생할 수 있습니다.
오른쪽: 이동하는 전자는 또한 진동을 자극하고 재흡수하여 2차 탄성 터널링으로 이어질 수 있습니다.

비탄성 전자 터널링 분광법(IETS)은 금속 산화물에 대한 분자 흡착물의 진동을 연구하기 위한 실험 도구입니다.고분해능(0.5meV 미만)과 고감도(스펙트럼을 [1]제공하려면 10분자13 미만)의 흡착물의 진동 스펙트럼을 생성한다.또 다른 장점은 광학적으로 금지된 전환이 관찰될 [2]수 있다는 사실이다.IET 내에서는 분자가 흡착된 산화층을 두 개의 금속판 사이에 끼운다.두 접점 사이에 바이어스 전압이 인가됩니다.위 그림에 바이어스 하에서의 금속산화물 금속장치의 에너지도를 나타낸다.금속 접점은 페르미 에너지까지 채워진 일정한 밀도의 상태를 특징으로 합니다.그 금속들은 같은 것으로 가정된다.흡착제는 산화물 물질 위에 있습니다.이러한 레벨은 단일 브리지 전자 레벨(상부 점선)로 표시됩니다.절연체가 충분히 얇으면 입사 전자가 장벽을 통해 터널링할 확률은 한정됩니다.이 과정에서 전자의 에너지는 변하지 않기 때문에 탄성 과정이다.이것은 왼쪽 그림에 나타나 있습니다.

터널링 전자 중 일부는 산화물이나 흡착물의 자극적인 진동에 의해 에너지를 잃을 수 있습니다.이러한 비탄성 프로세스는 두 번째 터널링 패스로 이어지며 터널링 전류에 추가 전류를 제공합니다.입사 전자는 이 진동을 일으키기에 충분한 에너지를 가지고 있어야 하므로, 이(비탄성) 프로세스의 시작인 최소 에너지가 있습니다.이것은 아래 점선이 진동자 상태인 가운데 그림에 나와 있습니다.이 전자에 대한 최소 에너지는 추가 기여의 시작인 최소 바이어스 전압에 해당합니다.전류에 대한 비탄성적 기여는 탄성 터널링 전류(~0.1%)에 비해 작으며, 아래 그림에서 볼 수 있듯이 바이어스 전압에 대한 전류의 두 번째 유도체에서의 피크로 보다 명확하게 나타난다.

그러나 시작 시 터널링 전류의 탄성 성분에도 중요한 보정이 있다.이는 전자-진동 커플링의 2차 효과로, 진동이 방출되고 재흡수되거나 그 반대입니다.이것은 오른쪽 위 그림에 나타나 있습니다.시스템의 에너지 파라미터에 따라 이 보정은 음이 될 수 있으며 비탄성전류의 양의 기여보다 클 수 있으며 결과적으로 IET 스펙트럼이 감소합니다.이는 일반[3] IET와 STM-IET[4] 모두에서 실험적으로 검증되며 [5]이론적으로도 예측된다.피크와 딥을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 파라미터에 따라 실험적으로나[6] [7]이론적으로나 파생형 특징을 관찰할 수 있다.

STM-IETs

전류 대 전압의 기울기 변화는 전압에 대한 전류의 제1도함수 단계 및 제2도함수 피크로 이어진다.

주사터널링현미경(STM)의 선단을 표면에서 일정 위치에 두고 바이어스 전압을 쓸어내면 I-V 특성을 기록할 수 있다.이 기술은 Scanning Tunneling Spectroscopy(STS)라고 불립니다.첫 번째 도함수는 팁의 상태 밀도가 일정하다고 가정할 때 기판의 로컬 상태 밀도(LDOS)에 대한 정보를 제공합니다.두 번째 유도체는 IET에서와 같이 흡착액의 진동에 대한 정보를 제공하므로 이 기술을 일반적으로 STM-IET라고 합니다.이 경우 절연산화물층의 역할은 팁과 흡착물 사이의 틈새에 의해 이루어진다.

STM-IETS는 STM [8]개발 17년 후인 1998년 Stipe, Rezaei, Ho에 의해 처음 시연되었다.극저온 온도와 극도의 기계적 안정성(흡착액에 대한 팁의 기계적 진동은 피코미터 이하의 진폭을 가져야 함) 요건은 이 기술을 실험적으로 실현하기 어렵게 만든다.

최근 몇 년 동안 분자 수송 접합부는 두 전극 사이에 하나의 분자로 생성되었으며,[9][10][11] 때로는 분자 근처에 추가적인 게이트 전극이 있습니다.STM-IETS에 비해 이 방법의 장점은 전극과 흡착액 사이에 접촉이 있다는 것이지만 STM-IETS에서는 팁과 흡착액 사이에 터널링 갭이 항상 존재한다는 것이다.이 방법의 단점은 전극 사이에 정확히 하나의 분자와 결합을 만들고 식별하는 것이 실험적으로 매우 어렵다는 것입니다.

STM-IETS 기술은 Andreas J에 의해 개별 원자의 스핀 들뜸으로 확장되었다. 하인리히, J. A.굽타, CIBM Almaden에서 [12]2004년에 Lutz와 Don Eigler를 만났습니다.구체적으로는 절연 박막으로 코팅된 표면을 전도하는 다양한 표면에서 Mn 원자의 Zeeman 분할 상태 간 전이를 조사했다.이 기술은 이후 Andreas J가 이끄는 팀에서 2006년 IBM Almaden에서 각각 조립된 최대 10개의 원자의 Mn 스핀 체인의 원자 스핀 전이를 탐사하는 데 적용되었다.하인리히[13]그 결과 Mn 스핀 체인은 S=5/2 스핀에 대한 1차원 하이젠베르크 모델을 실현한 것으로 나타났다.STM-IETS는 또한 개별[14][15][16] 원자와 [17]분자의 단일 이온 자기 이방성에 의해 분할된 원자 스핀 전이를 측정하는 데 사용되었다.터널링 전자가 원자 스핀 전이를 자극할 수 있도록 하는 기본적인 물리적 메커니즘은 여러 [18][19][20]저자들에 의해 연구되었습니다.작동 탐침의 가장 빈번한 모드는 지면 상태에서 여자 상태로 회전하는 반면, 시스템을 평형 상태에서 벗어나게 하고 여자 상태 간의 프로브 전환 가능성 및 스핀 편광 전류를 가진 단일 원자의 스핀 방향을 제어할 수 있는 가능성 [21]또한 보고되었다.결합된 스핀 구조의 경우, 이 기술은 에너지 스핀 들뜸에 대한 정보뿐만 아니라 구조 전체에 걸친 에너지 스핀 들뜸에 대한 정보를 제공하므로 나노 엔지니어링된 [22]스핀 체인에서 스핀 파동 모드를 촬영할 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ Langan, J; Hansma, P (1975). "Can the concentration of surface species be measured with inelastic electron tunneling?☆". Surface Science. 52 (1): 211–216. Bibcode:1975SurSc..52..211L. doi:10.1016/0039-6028(75)90020-5.
  2. ^ K.W. Hipps and U. Mazur(2001) 비탄성 전자 터널링 분광학, 진동 분광학 핸드북, ISBN 978-0-471-98847-2
  3. ^ Bayman, A.; Hansma, P.; Kaska, W. (1981). "Shifts and dips in inelastic-electron-tunneling spectra due to the tunnel-junction environment". Physical Review B. 24 (5): 2449. Bibcode:1981PhRvB..24.2449B. doi:10.1103/PhysRevB.24.2449.
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