Unelastische Elektronentunnelspektroskopie

Eine schematische Zeichnung des untersuchten Systems mit zwei Metallkontakten (linker und rechter Reservoir), ein Molekül in (elektronischer Brückenniveau) und eine Spannung zwischen den beiden Kontakten. Die breite Bandlimit wird für beide Kontakte angenommen.
Links: Wanderelektronen haben keine ausreichende Energie, um eine Schwingung zu erregen. Es kann nur ein elastisches Tunneln stattfinden.
Mitte: Wenn die Vorspannung über V = E/E hinaus erhöht (wobei E die elektronische Ladung ist), können reisende Elektronen eine ausreichende Energie haben, um eine Schwingung mit Energie zu erregen. Inelastischer Tunneling kann stattfinden.
Recht: Wanderelektronen können auch eine Vibration erregen und anschließend wieder auftreten, was zu elastischen Tunnelen zweiter Ordnung führt.

Unelastische Elektronentunnelspektroskopie (Iets) ist ein experimentelles Instrument zur Untersuchung der Schwingungen molekularer Adsorbate an Metalloxiden. Es liefert Schwingungsspektren der Adsorbate mit hohe Auflösung (<0,5 MeV) und hohe Empfindlichkeit (<10)13Moleküle sind erforderlich, um ein Spektrum bereitzustellen).[1] Ein zusätzlicher Vorteil ist die Tatsache, dass auch optisch verbotene Übergänge beobachtet werden können.[2] Innerhalb von IETs wird eine Oxidschicht mit Molekülen, die darauf adsorbiert sind, zwischen zwei Metallplatten gelegt. EIN Vorspannung wird zwischen den beiden Kontakten angewendet. In der oberen Abbildung ist ein Energiediagramm der Metalloxidmetallvorrichtung unter Verzerrung dargestellt. Die Metallkontakte sind durch eine Konstante gekennzeichnet Dichte der Zustände, gefüllt zu den Fermi -Energie. Es wird angenommen, dass die Metalle gleich sind. Die Adsorbate befinden sich auf dem Oxidmaterial. Sie werden durch eine einzelne elektronische Brücke dargestellt, die die obere gestrichelte Linie ist. Wenn der Isolator dünn genug ist, besteht eine begrenzte Wahrscheinlichkeit, dass die einfallenden Elektronentunnel durch die Barriere. Da die Energie des Elektrons durch diesen Prozess nicht verändert wird, ist es ein elastischer Prozess. Dies ist in der linken Abbildung dargestellt.

Einige der Tunnelelektronen können durch anregende Schwingungen des Oxids oder des Adsorbats Energie verlieren. Diese unelastischen Prozesse führen zu einem zweiten Tunnelpfad, der einen zusätzlichen Strom für den Tunnelstrom liefert. Da das einfallende Elektron genug Energie haben sollte, um diese Schwingung zu erregen, gibt es eine minimale Energie, die den Beginn dieses (unelastischen) Prozesses ist. Dies ist in der mittleren Abbildung gezeigt, wo die untere gestrichelte Linie ein vibronischer Zustand ist. Diese minimale Energie für das Elektron entspricht einer minimalen Verzerrungsspannung, was für den zusätzlichen Beitrag eintritt. Der unelastische Beitrag zum Strom ist im Vergleich zum elastischen Tunnelstrom (~ 0,1%) gering und wird deutlicher als Peak in der Zweites Derivat des Stroms zur Vorspannung, wie in der unteren Abbildung zu sehen ist.

Es gibt jedoch auch eine wichtige Korrektur der elastischen Komponente des Tunnelstroms zu Beginn. Dies ist ein Effekt zweiter Ordnung bei der Elektronenvibrationskopplung, bei der eine Vibration emittiert und umgekehrt oder umgekehrt. Dies ist in der oberen Abbildung rechts dargestellt. Abhängig von den energetischen Parametern des Systems kann diese Korrektur negativ sein und den positiven Beitrag des unelastischen Stroms überwiegen, was zu einem Eintauchen im IET -Spektrum führt. Dies wird experimentell in beiden regulären IETs verifiziert[3] und in STM-ITS[4] und wird auch theoretisch vorhergesagt.[5] Es können nicht nur Peaks und Dips beobachtet werden, sondern auch abhängig von den energetischen Parametern können auch dieivatähnlichen Merkmale beobachtet werden, beide experimentell[6] und theoretisch.[7]

STM-ITS

Eine Änderung der Steigung im Strom gegenüber Spannung führt zu einem Schritt im ersten Derivat und zu einem Peak in der zweiten Ableitung des Stroms zur Spannung.

Halten Sie die Spitze von a Rastertunnelmikroskop . Diese Technik heißt Rastertunnelspektroskopie (STS). Das erste Derivat liefert Informationen über die lokale Dichte der Zustände (LDOs) des Substrats unter der Annahme, dass die Spitze eine konstante Zustandsdichte aufweist. Das zweite Derivat liefert Informationen zu Schwingungen des Adsorbats wie in IETs, weshalb diese Technik allgemein als STM-ITEN bezeichnet wird. In diesem Fall wird die Rolle der Isolieroxidschicht durch die Lücke zwischen der Spitze und dem Adsorbat gespielt.

STM-ITS wurde 1998, siebzehn Jahre nach der Entwicklung des STM, erstmals von Stipe, Rezaei und Ho demonstriert.[8] Die Anforderungen kryogener Temperaturen und extremer mechanischer Stabilität (mechanische Schwingungen der Spitze über dem Adsorbat müssen Amplituden im Bereich von haben Picometer oder weniger) diese Technik experimentell herausfordernd zu realisieren.

In den letzten Jahren wurden molekulare Transportübergänge mit einem einzigen Molekül zwischen zwei Elektroden hergestellt, manchmal mit einer zusätzlichen Gateelektrode in der Nähe des Moleküls.[9][10][11] Der Vorteil dieser Methode im Vergleich zu STM-ITEN besteht darin, dass es Kontakt zwischen beiden Elektroden und dem Adsorbat gibt, während in STM-ITS immer eine Tunnelspalt zwischen der Spitze und dem Adsorbat besteht. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass es experimentell sehr schwierig ist, eine Verbindung mit genau einem Molekül zwischen den Elektroden zu erstellen und zu identifizieren.

Die STM-ITS-Technik wurde auf die Spin-Aufregung eines individuellen Atoms von ausgedehnt Andreas J. Heinrich, J. A. Gupta, C. Lutz und Don Eigen Im Jahr 2004 bei IBM Almaden.[12] Insbesondere untersuchten sie den Übergang zwischen Zeeman Split -Zuständen des Mn -Atoms auf verschiedenen Oberflächen, die mit isolierenden Dünnfilmen beschichteten Oberflächen leiteten. Die Technik wurde später angewendet, um Atomspin -Übergänge von Mn -Spinketten von bis zu 10 Atomen zu untersuchen, die im Jahr 2006 in einem von Andreas J. Heinrich angeführten Team nacheinander ebenfalls in IBM Almaden zusammengebaut wurden.[13] Die Ergebnisse zeigten, dass die Mn -Spinkette eine Verwirklichung der einen Dimensionen war Heisenberg Model für s = 5/2 Spins. STM-ITEN wurde auch verwendet, um die Atomspin-Übergänge zu messen, die durch einzelne Ionen-Magnetanisotropie einzelner Atome aufgeteilt wurden[14][15][16] und Moleküle.[17] Der zugrunde liegende physikalische Mechanismus, der Tunnelelektronen zum Anregen von atomaren Spinübergängen ermöglicht, wurde von mehreren Autoren untersucht.[18][19][20] Während die häufigste Art der Operationssonden Spin -Anregungen vom Grundzustand bis zu angeregten Zuständen, die Möglichkeit, das System vom Gleichgewichts- und Sondenübergang zwischen angeregten Zuständen zu fördern, sowie die Möglichkeit, die Spinorientierung einzelner Atome mit Spinpolarisierten zu kontrollieren Es wurden auch Strömungen gemeldet.[21] Bei gekoppelten Spinstrukturen liefert die Technik nicht nur Informationen über die Energien -Spin -Anregungen, sondern auch über ihre Ausbreitung über die Struktur, was es ermöglicht, die Spinwellenmodi in nanoengineierten Spinketten vorzustellen.[22]

Verweise

  1. ^ Langan, J; Hansma, P (1975). "Kann die Konzentration der Oberflächenspezies mit unelastischem Elektronentunneln gemessen werden? ☆". Oberflächenwissenschaft. 52 (1): 211–216. Bibcode:1975SursSc..52..211l. doi:10.1016/0039-6028 (75) 90020-5.
  2. ^ K.W. HIPPS und U. Mazur (2001) Inelastische Elektronentunnelspektroskopie, Handbuch von Schwingungsspektroskopie, ISBN978-0-471-98847-2
  3. ^ Bayman, A.; Hansma, P.; Kaska, W. (1981). "Verschiebungen und Einbrüche in unelastischen Elektronen-Tunnel-Spektren aufgrund der Tunnel-Junction-Umgebung". Physische Bewertung b. 24 (5): 2449. Bibcode:1981Phrvb..24.2449b. doi:10.1103/PhysRevB.24.2449.
  4. ^ Hahn, J.; Lee, H.; Ho, W. (2000). "Elektronische Resonanz und Symmetrie im unelastischen Elektronentunneln mit einem Molekül". Physische Überprüfungsbriefe. 85 (9): 1914–7. Bibcode:2000phrvl..85.1914h. doi:10.1103/PhysRevlett.85.1914. PMID 10970646.
  5. ^ Persson, b.; Baratoff, A. (1987). "Inelastischer Elektronentunneln von einer Metallspitze: Der Beitrag aus Resonanzprozessen". Physische Überprüfungsbriefe. 59 (3): 339–342. Bibcode:1987Phrvl..59..339p. doi:10.1103/PhysRevlett.59.339. PMID 10035735.
  6. ^ Wang, Wenyong; Lee, Takhee; Kretzschmar, Ilona; Reed, Mark A. (2004). "Inelastische Elektronentunnelspektroskopie einer selbstorganisierten monoschicht alkanedithiol". Nanobriefe. 4 (4): 643. Bibcode:2004nanol ... 4..643W. doi:10.1021/nl049870v.
  7. ^ Mii, Takashi; Tikhodeev, Sergei; Ueba, Hiromu (2003). "Spektrale Merkmale des unelastischen Elektronentransports über einen lokalisierten Zustand". Physische Bewertung b. 68 (20): 205406. Bibcode:2003phrvb..68T5406m. doi:10.1103/PhysRevB.68.205406.
  8. ^ Stipe, B. C.; Rezaei, M. A.; Ho, W. (1998). "Einzelmolekül-Schwingungsspektroskopie und Mikroskopie". Wissenschaft. 280 (5370): 1732–1735. Bibcode:1998sci ... 280.1732s. doi:10.1126/science.280.5370.1732. PMID 9624046.
  9. ^ Smit, R. H. M.; Noat, Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; Van Hemert, M. C.; Van Ruitenbeek, J. M. (2002). "Messung der Leitfähigkeit eines Wasserstoffmoleküls". Natur. 419 (6910): 906–9. Arxiv:cond-mat/0208407. Bibcode:2002Natur.419..906s. doi:10.1038/nature01103. PMID 12410305.
  10. ^ Park, jiwoong; Pasupathy, Abhay N.; Goldschmied, Jonas I.; Chang, Connie; Yaish, yuval; Petta, Jason R.; Rinkoski, Marie; Sethna, James P.; et al. (2002). "Coulomb-Blockade und der Kondo-Effekt bei Single-Atom-Transistoren". Natur. 417 (6890): 722–5. Bibcode:2002Natur.417..722p. doi:10.1038/nature00791. PMID 12066179.
  11. ^ Liang, Wenjie; Shores, Matthew P.; Bockrath, Marc; Long, Jeffrey R.; Park, Hongkun (2002). "Kondo-Resonanz in einem einzigen Molekültransistor". Natur. 417 (6890): 725–9. Bibcode:2002Natur.417..725L. doi:10.1038/nature00790. PMID 12066180.
  12. ^ Heinrich, A. J.; Gupta, J. A.; Lutz, C. P.; Eigener, D. M. (2004-10-15). "Single-Atom-Spin-Flip-Spektroskopie". Wissenschaft. 306 (5695): 466–469. Bibcode:2004Sci ... 306..466H. doi:10.1126/Science.1101077. ISSN 0036-8075. PMID 15358866.
  13. ^ Hirjibehedin, Cyrus F.; Lutz, Christopher P.; Heinrich, Andreas J. (2006-05-19). "Spinkopplung in technischen Atomstrukturen". Wissenschaft. 312 (5776): 1021–1024. Bibcode:2006Sci ... 312.1021h. doi:10.1126/Science.1125398. ISSN 0036-8075. PMID 16574821.
  14. ^ Hirjibehedin, Cyrus F.; Lin, Chiung-Yuan; Otte, Alexander F.; Ternes, Markus; Lutz, Christopher P.; Jones, Barbara A.; Heinrich, Andreas J. (2007-08-31). "Große magnetische Anisotropie eines einzelnen atomaren Spin in ein Oberflächenmolekularnetzwerk". Wissenschaft. 317 (5842): 1199–1203. Bibcode:2007Sci ... 317.1199h. doi:10.1126/Science.1146110. ISSN 0036-8075. PMID 17761877.
  15. ^ Khajetoorians, Alexander A.; Chilianer, Bruno; Wiebe, Jens; Schuwalow, Sergej; Lechermann, Frank; Wiesendanger, Roland (2010-10-28). "Erkennung und Magnetisierung einzelner Dotierstoffe in einem Halbleiter". Natur. 467 (7319): 1084–1087. Bibcode:2010Natur.467.1084K. doi:10.1038/nature09519. ISSN 0028-0836. PMID 20981095.
  16. ^ Rau, Ileana G.; Baumann, Susanne; Rusponi, Stefano; Donati, Fabio; Stepanow, Sebastian; Gragnaniello, Luca; Dreiser, Jan; Piamonteze, Cinthia; Nolting, Frithjof (2014-05-08). "Erreichen der magnetischen Anisotropiegrenze eines 3D -Metallatoms". Wissenschaft. 344 (6187): 988–992. Bibcode:2014Sci ... 344..988r. doi:10.1126/science.1252841. ISSN 0036-8075. PMID 24812206.
  17. ^ Tsukahara, Noriyuki (2009-01-01). "Adsorptionsinduzierte Schaltung der magnetischen Anisotropie in einem einzelnen Eisen (II) -Phthalocyanin-Molekül auf einer oxidierten Cu (110) -Aboberfläche". Physische Überprüfungsbriefe. 102 (16): 167203. Bibcode:2009phrvl.102p7203t. doi:10.1103/PhysRevlett.102.167203. PMID 19518750.
  18. ^ Fernández-Rossier, J. (2009-01-01). "Theorie der unelastischen Tunnelspektroskopie mit Einzelspin". Physische Überprüfungsbriefe. 102 (25): 256802. Arxiv:0901.4839. Bibcode:2009phrvl.102y6802f. doi:10.1103/PhysRevlett.102.256802. PMID 19659108.
  19. ^ Persson, Mats (2009-01-01)."Theorie des unelastischen Elektronentunnelns aus einem lokalisierten Spin in der impulsiven Näherung". Physische Überprüfungsbriefe. 103 (5): 050801. Arxiv:0811.2511. Bibcode:2009phrvl.103e0801p. doi:10.1103/PhysRevlett.103.050801. PMID 19792476.
  20. ^ Lorente, Nicolás (2009-01-01)."Effiziente Spinübergänge in der unelastischen Elektronentunnelspektroskopie". Physische Überprüfungsbriefe. 103 (17): 176601. Arxiv:0904.4327. Bibcode:2009phrvl.103q6601l. doi:10.1103/PhysRevlett.103.176601. PMID 19905777.
  21. ^ Loth, Sebastian;Von Bergmann, Kirsten;Ternes, Markus;Otte, Alexander F.;Lutz, Christopher P.; Heinrich, Andreas J. (2010-05-01). "Kontrolle des Zustands der Quantenspins mit elektrischen Strömen". Naturphysik. 6 (5): 340–344. Bibcode:2010natph ... 6..340l. doi:10.1038/nphys1616. ISSN 1745-2473.
  22. ^ Spinelli, a.;Bryant, b.;Delgado, F.;Fernández-Rossier, J.;Otte, A. F. (2014-08-01)."Bildgebung von Spinwellen in atomisch gestalteten Nanomagneten". Naturmaterialien. 13 (8): 782–785. Arxiv:1403.5890. Bibcode:2014natma..13..782s. doi:10.1038/nmat4018. ISSN 1476-1122. PMID 24997736.