Туннельная спектроскопия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Туннельная спектроскопия - спектроскопия твёрдых тел, основанная на исследовании вольт-амперной характеристики (ВАX) туннельных контактов. В основе туннельной спектроскопии лежит нелинейная зависимость туннельного тока I, протекающего между двумя проводниками, разделёнными тонким непроводящим барьером (диэлектриком, вакуумным зазором), от приложенного между ними напряжения V. Особенности электронного спектра проводника отражаются на ВАX туннельного контакта. Так, щель в спектре приводит к обращению тока в 0, а максимумы в плотности состояний сопровождаются максимумами производной тока по напряжению dI/dV. Особенности ВАX позволяют выяснить зависимость плотности состояний электронов от энергии, а также частоты фононов и молекулярных возбуждений, участвующих в процессе туннелирования.

Вероятность туннелирования через потенц. барьер определяется прозрачностью барьера, плотностью состояний электронов по одну сторону барьера и вероятностью того, что по др. его сторону эти состояния свободны. В металле плотность состояний g вблизи фермы-энергии постоянна и туннельный ток I пропорц. напряжению V, приложенному к "берегам" перехода (в области малых напряжений). Если на одном из берегов плотность состояний зависит от энергии

то дифференц. проводимость контакта dI/dV и, следовательно, туннельный ток при достаточно низких темп-pax прямо пропорц.

Туннельная спектроскопия позволила продемонстрировать наличие энергетич. щели D в сверхпроводниках и доказать, что возникновение сверхпроводимости происходит за счёт электрон-фононно-го взаимодействия. На рис. 1 дана зависимость дифференц. проводимости от энергии возбуждения электрона (в единицах D) для контакта Mg (диэлектрик)-Рb (сверхпроводник) при T=0.33 К. Электронные возбуждения при энергиях, меньших

отсутствуют, плотность возбуждённых состояний на границе щели

резко возрастает, а в области характерных энергий фононного спектра Рb немонотонно изменяется. Именно последнее связано с электрон-фононным механизмом сверхпроводимости. В случае полупроводников туннелирование электронов через p-n-переход часто осуществляется через т. н. непрямой переход, когда электронный импульс в процессе перехода изменяется на величину а за счёт испускания или поглощения фонона. Этот процесс может происходить, когда между берегами туннель ного перехода приложено напряжение, определяемое условием

- энергия соответствующего фонона с волновым вектором q, и проявляется как особенности на ВАX (рис. 2). Стрелками отмечены особенности для разл. ветвей колебаний (акустич. и оптич.), участвующих в туннелировании электронов (см. Колебания кристаллической решётки).

Рис. 2. Зависимость от смещения V для кремниевого диода при 4,2 К.

Если в процессе туннелирования электрон передаёт часть энергии локальному примесному состоянию, то открывается дополнит. канал для туннелирования. Включение "туннелирования через примесное состояние" увеличивает проводимость контакта при

где w₀ - энергия возбуждения примесного центра. На кривой

это отражают дополнит. пики. Форма линии при этом зависит от естеств. ширины линии, энергии возбуждения и температурного уширения из-за теплового "размазывания" энергетич. распределения электронов (рис. 3).

Рис. 3. Спектры примесей СH в туннельном переходе кремниевого диода.

Т. с. помимо исследования плотности электронных состояний позволяет исследовать влияние внеш. воздействий на электронный спектр, напр. деформации, легирования и т.п.

В отличие от традиционной Т. с. с к а н и р у ю щ а я Т. с. кроме энергетич. характеристики позволяет получить пространств. характеристики электронных поверхностных состояний. Она базируется на использовании сканирующего туннельного микроскопа, где туннельный ток локализуется в области размерами порядка атомных. Это позволяет выявить расположение максимумов волновых функций электронов относительно двумерной кристаллич. решётки поверхности образца. В многослойных плёнках, гетеропереходах, сверхрешётках и др. возможно также выявление и спектроскопия отд. компонентов.

Метод сканирующей Т. с. предложен (в 1986) Р. Дж. Ха-мерсом (R. J. Hamers), Р. М. Тромпом (R. М. Tromp) и Дж. Е. Демутом (J. Е. Demuth), продемонстрировавшими его возможности при изучении реконструированной поверхности кристалла Si (см. Реконструкция поверхности). На рис. 4 приведены ВАX, полученные в разных точках элементарной ячейки 7x7. Различие

обусловлено различием локальных значений плотности поверхностных электронных состоянии относительно межатомных расстояний.

Рис. 4. Спектры туннельной проводимости в функции напряжения между остриём и образцом, полученные для поверхности. Сплошная линия-спектр, усреднённый по элементарной ячейке (врезка), локальные спектры даны при расположении острия над атомами (квадратики) и в промежутках между ними (точки и крестики соответствуют позициям, помеченным теми же символами на схеме элементарной ячейки).

Достоинство сканирующей туннельной спектроскопии состоит в возможности изучения сорбированных на поверхности атомов и молекул и механизма поверхностных хим. реакций. При т. н. неупругом туннелировании (изменяется энергия электрона) наблюдается селективное излучение света, а при освещении туннельного контакта - изменение ВАX. Перспективно повышение селективности я информативности метода.

Сканирующая туннельная спектроскопия играет важную роль при исследовании сверхпроводимости, в особенности высокотемпературной, позволяя измерить распределение энергетич. щели по поверхности, установить структуру вихрей Абрикосова, возникающих в сверхпроводниках второго рода в магн. поле. Изменяя величину зазора между образцом и остриём сканирующего туннельного микроскопа, можно наблюдать резонансные состояния, обусловленные интерференцией электронов с длиной волны

в вакуумном зазоре d при

(т,

- масса и энергия электрона, n - целое число).

Литература по туннельной спектроскопии

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.