1.3.2 Характеристика ток-расстояние

Измерение зависимости туннельного тока от расстояния зонд-образец осуществляется в режиме спектроскопия . Согласно формуле (11) пункта 1.2.1, типичная зависимость ток-расстояние в случае отсутствия конденсата представляет собой резкий экспоненциальный спад тока с характерным расстоянием несколько ангстрем [1, 2] (рис. 1).

По данным экспериментальной кривой можно оценить высоту потенциального барьера . В пункте 1.2.2 было показано, что если напряжение между образцом и зондом мало, тогда зависимость туннельного тока от прикладываемого напряжения и расстояния выражается формулой

где , , – контактная площадь, – масса свободного электрона, – заряд электрона, – постоянная Планка.

Из формулы (1) величину можно выразить через аналитическую функцию от величины . Взяв натуральный логарифм от выражения (1) и продифференцировав по получим, что

Если , тогда величина выражается из (2) следующим образом

где величина выражена в m^-1. Следует отметить, что в большинстве случаев условие выполнимо практически всегда. К примеру, если , тогда выражение (3) будет справедливо при .

Экспериментальная зависимость для Pt плёнки, полученная Pt-Ro зондом (содержание Pt около 80%) в воздушном СТМ (СЗМ Solver P47), представлена на рис. 2.

Подставляя значение наклона экстраполирующей прямой проведённой через экспериментальные данные (рис. 2), в формулу (3), получим, что . Теоретическое значение , в случае, когда оба электрода изготовлены из Pt, равно . Как видно, экспериментальное значение примерно в 6 раз отличается от теоретического. Вероятнее всего, главная причина такого отличия связана с наличием абсорбционных слоёв на поверхности электродов. Даже для свежеподготовленной поверхности пирографита, при использовании максимальных зарегистрированных величин не удаётся получить величины выше нескольких десятых электронвольт. Все эти величины заведомо ниже, чем известные из вакуумных и низкотемпературных СТМ-экспериментов для тех же материалов подложек и игл [3]. Значения получаемые на воздухе, близки к тому, что обычно получают в конфигурации in situ электрохимических СТМ, когда в туннельном зазоре находится жидкая полярная среда [3]. Аналогом такой среды и является, по-видимому, конденсат в воздушном СТМ. Таким образом, присутствие конденсата на поверхности исследуемого образца приводит к ухудшению качества СТМ изображения и к занижению .

Очень часто, на практике спектроскопия используется для определения качества (остроты) кончика зонда. На рис. 3, 4 показаны экспериментальные зависимости полученные при исследовании поверхности высоко-ориентированного пиролитического графита (ВОПГ) для "хорошо" и "плохо" заострённой иглы Pt-Ro зонда.

Критерии контроля качества иглы следующие: если величина туннельного тока падает до половины уже на расстоянии менее 3 Å от поверхности, то качество иглы очень хорошее; если эта дистанция на уровне 10 Å, то при использование этой иглы ещё возможно получение атомарного разрешения на графите; если падение тока происходит на расстояние 20 Å и более, то данную иглу необходимо заменить или заново заострить [4].

---

Выводы.

• Теоретически показано, что по результатам измерений зависимости возможно оценить работу выхода электронов исследуемого материала (3).
• Существенная разница между, значением работы выхода, измеренной из экспериментальной кривой с табличным значением, обуславливается наличием абсорбционных слоёв на поверхности электродов.
• На практике, зависимость используется для определения качества остроты зонда.

Литература.

1. John G. Simmons. J. Appl. Phys. – 1963. – V. 34 1793.
2. G. Binnig., H. Rohrer. Helv. Phys. Acta. – 1982, – V. 55 726.
3. C.Ю. Васильев, А.В. Денисов. Особенности туннельно-спектроскопических измерений в конфигурации воздушного ска-нирующего микроскопа // Журнал технической физики. - 2000, - т. 70, №1.
4. NT-MDT. Руководство пользователя Solver P47.