Измерение вольт-амперных характеристик туннельного контакта вольфрам - золото

CTM позволяет исследовать не только морфологию поверхности образца, но и ее локальную электронную структуру. Получаемая из этих данных информация об электронной структуре образца может быть сильно искажена влиянием различных факторов, которые не всегда можно учесть.

C помощью CTM можно снимать BAX туннельного контакта в различных точках поверхности, что позволяет судить о локальной проводимости образца и изучать особенности локальной плотности состояний в энергетическом спектре электронов. Для регистрации BAX туннельного контакта в CTM применяется следующая процедура. На CTM изображении поверхности выбирается область образца, в которой предполагается произвести измерения. Зонд CTM выводится сканером в соответствующую точку поверхности. Для получения BAX контакта обратная связь на короткое время разрывается и к туннельному промежутку прикладывается линейно нарастающее напряжение. При этом синхронно с изменением напряжения регистрируется ток, протекающий через туннельный контакт. Во время снятия BAX на время разрыва обратной связи на электрод сканера подается потенциал, равный потенциалу непосредственно перед разрывом. В каждой точке производится снятие нескольких ВАХ. Итоговая BAX получается путем усреднения набора ВАХ, снятых в одной точке. Усреднение позволяет существенно минимизировать влияние шумов туннельного промежутка.

Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать BAX туннельного контакта зонд - поверхность в любой точке поверхности и исследовать локальные электрические свойства образца. Для характерных напряжений на туннельном контакте порядка 0,1 ÷1 В и туннельных токов на уровне 0,l÷l нА сопротивление туннельного контакта R_tпо порядку величин составляет IO⁸ ÷IO¹⁰Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в CTM образцов R_sсущественно меньше R_t, и характер BAX определяется, в основном,

свойствами небольшой области образца вблизи туннельного контакта.

Нами было изучено влияние параметров туннельной системы на вид BAX на примере модельной системы острие (вольфрам) - образец (золото).

Рис. 63. Кривые BAX для серии измерений контакта вольфрам - золото. В качестве подложки использовалась слюда.

На рис. 63 приведены результаты серии измерений ВАХ, сделанных без замены острия. После двух первых последовательных измерений наблюдается резкий скачок наклона графика (см. рис. 63), что свидетельствует о резком увеличении сопротивления туннельного контакта. Анализ статистики измерений показывает, что уменьшение силы тока (по абсолютному значению) при

£7 =+0,5 В от значения, фиксируемого при начале измерений, составляет в 2,7 и 2,0 раза соответственно. Отчасти это может быть связано с существованием на поверхности образца крупных агломератов, для которых кривые BAX при положительном напряжении могут иметь несколько другую форму в отличие от отдельных наночастиц [240]. В частности, такие агломераты обнаружены для пленок золота в [214].

Кроме того, можно сделать вывод, что электронная структура острия изменилась, что может быть объяснено массопереносом с образца на острие. Необходимо отметить, что в наиболее общем случае форма туннельного барьера зависит от работ выхода из материалов образца и острия, приложенного напряжения, расстояния между электродами. Кроме того, необходимо учитывать потенциал сил зеркального изображения. Проведенные расчеты BAX показали, что учет потенциала сил зеркального изображения приводит к различиям не только в значениях туннельного тока, но и в форме кривых [241].

Особый интерес представляет собой сравнение получаемых нами результатов с данными работы [167].

и поверхностью образца. Характерной особенностью этого процесса является скачкообразное падение сопротивления туннельного промежутка при приложении модифицирующего импульса напряжения. При этом изменение температуры вершины острия остается невелико. Анализ и сопоставление результатов, представленных на рис. 63 и 64, показывает, что вид BAX для туннельного контакта вольфрам - золото совпадает, но по порядку величины туннельного тока они различаются, что связано, по-видимому, с исследованием пленок золота разной толщины работой [167], а также разными методами получения пленок.

Рис. 64. BAX контакта вольфрам - золото [167]: 1, 2 - расчет без учета потенциала сил зеркального изображения и расчет с учетом потенциала сил зеркального изображения соответственно; 3 - расчет с учетом эффекта термического расширения.

Как уже отмечалось, ультратонкие пленки золота при напылении хорошо повторяют рельеф подложки [234].

проводимости и отражательной способности широкое применение находят пленки золота, в том числе с периодической структурой. Они используются как защитные и буферные слои [243], омические контакты [232], отражающие покрытия в широком диапазоне длин волн [233].

Кривая, соответствующая одному из первых сканов (рис. 68, кривая 1), оказалась асимметрична относительно знака напряжения, что свидетельствует о влиянии электронной структуры острия. При проведении многократных измерений с одним и тем же острием зависимость становится симметричной относительно знака напряжения (рис. 69, кривая 2). Такое поведение в целом согласуется с результатами, полученными для образца «золото на слюде» и также подтверждает тот факт, что необходимо учитывать возможность влияния взаимодействия между зондом туннельного микроскопа и образцом на результаты, получаемые в процессе эксперимента (термическое расширение острия, массоперенос и др.). Характер кривых 1 и 2 совпадает с данными [244], однако авторы этой работы не указали состав подложки и привели лишь положительную ветвь ВАХ.

Рис. 65. Результат сканирования рельефа образца «золото на поликарбонате» (размер области сканирования 5,15?5,15 мкм²).

Рис. 66. 3D изображения периодических наноструктур золота на диэлектрической подложке (поликарбонат), полученных с помощью CTM (5,15x5,15 мкм²).

Рис. 67. Результат сканирования рельефа образца «золото на поликарбонате» (размер области сканирования 2,8x2,9 мкм²).

Рис. 68. 3D изображения периодических наноструктур золота на диэлектрической подложке (поликарбонат), полученных с помощью CTM (1,29?1,29 мкм²).

Рис. 69. Кривая 1 BAX контакта вольфрам - золото. Кривая 2 отвечает долговременному использованию зонда и наличию эффекта термического расширения.

3.6.