Вопросы теории туннелирования электронов в СТМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Мурясов, Руслан Рахимович

• Мурясов, Руслан Рахимович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мурясов, Руслан Рахимович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Распределение поля в полупроводнике вблизи поверхности при больших туннельных токах.

1.1 Постановка задачи. Общие уравнения

1.2 Плоская геометрия (Одномерный расчет)

1.3 Цилиндрическая геометрия (Двумерный расчет)

1.4 Сопоставление постановки задачи с условиями эксперимента.

ГЛАВА 2. Эффективный туннельный потенциал в СТМ

2.1 Постановка задачи. Общие уравнения

2.2 Расчет эффективного туннельного потенциала для кристалла.

2.2.1 Вычисление асимптотики

2.2.2 Вычисление ЭТП

2.2.3 Исследование координатной зависимости ЭТП

2.3 Вклад различных гармоник поверхностной блоховской функции в ЭТП

2.4 Вклад различных гармоник поверхностной блоховской функции в формирование туннельного тока

ГЛАВА 3. Туннелирование электрона сквозь атомы и молекулы - подбарьерное рассеяние

Введение

3.1 Описание метода

3.2 Подбарьерное рассеяние на атомах Н\л Не.

3.3 Численные результаты.

3.4 Обсуждение

ГЛАВА 4. Об экспериментальных возможностях наблюдения одиночных спинов в СТМ

Введение

4.1 Физические основы эффекта.

4.2 Возможности наблюдения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вопросы теории туннелирования электронов в СТМ»

Настоящая работа содержит четыре части, которые, на первый взгляд, имеют самостоятельное значение, но истоком и конечной целью каждой является теория туннелирования электрона в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Несмотря на то, что туннелирование как явление было описано сразу после создания основ квантовой механики в 20-х годах, его практическая реализация осуществлялась по мере развития соответствующих технологий. Так, например, туннельный диод был изобретен в 1957 г. (Л.Эсаки), а СТМ (сканирующий туннельный микроскоп) был разработан в 1981г. (Binning, Rohrer) [1]. Оба изобретения удостоены Нобелевской премии. Следует также отметить, что туннелирование играет важную роль не только в вышеуказанных системах, но и во многих физических процессах: а -распад, термоядерные реакции, химические реакции [2,3], разнообразные явления в твердых телах и сверхпроводниках [4], а также в биосистемах [5]. В настоящее время туннельный микроскоп является объектом пристального изучения, как экспериментаторов, так и теоретиков. С одной стороны, он является прорывом в области нанотехнологий, а с другой - обширным полем деятельности для фундаментальной науки (как физики и химии поверхности, так и теории туннелирования).

Существуют различные методы исследования поверхности [6-8]. Чтобы определить место СТМ в физике поверхности отметим основные из них:

Исследования структуры поверхности, как правило, осуществляется с помощью дифракционных методов (дифракция медленных электронов; малоугловая отражательная дифракция быстрых электронов; дифракция атомов гелия с длиной волны де Бройля, сравнимой с параметром решетки на поверхности; малоугловая дифракция синхротронного рентгеновского излучения).

Для анализа химического состава и дефектов поверхности используются различные спектроскопические методы: Возбуждение внутренних оболочек атомов поверхности рентгеновским излучением или быстрыми электронами + последующий спекгроскопический анализ: рентгеновская фотоэмиссия, оже-спектроскопия;

Спектроскопия магнитного резонанса:

• В случае ЯМР, основанном на резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля системой ядер с ненулевым магнитным моментом, находящихся во внешнем постоянном магнитном поле, по форме и уширению резонансных кривых, зависящей от взаимодействия резонирующего ядра с локальными магнитными полями других ядер и электронных оболочек можно получить информацию о топографии резонирующих ядер.

• Спектроскопия ЭПР используется при исследовании в поверхностной фазе парамагнитных центров (разорванные связи, радикалы, захватившие электроны дефекты, примеси переходных металлов с незаполненными с/, f оболочками). Из ширины и формы линий поглощения ЭПР можно извлечь информацию о взаимодействии парамагнитных центров друг с другом и об их топографии на поверхности. Также весьма информативным является появление тонкой и сверхгонкой структуры. Для поверхностей без собственных парамагнитных дефектов используется методика парамагнитных зондов - адсорбция спиновых меток.

Колебательная спектроскопия адсорбатов: спектроскопия энергетических потерь электронов; отражательно-абсорбционная инфракрасная спектроскопия; спектроскопия неупругого туннелирования электронов.

Определение геометрии (топографии) поверхности:

Рассеяние ионов (используются ионы с дебройлевской длиной волны много меньшей межатомных расстояний, т.е. которые ведут себя как классические частицы, что позволяет анализировать обратное рассеяние в рамках законов упругих столкновений);

Просвечивающая и растровая электронная микроскопия (бомбардировка быстрыми электронами + анализ вторичного электронного, рентгеновского и оптического излучений);

Электронные свойства чистой поверхности полупроводников: скопический анализ: рентгеновская фотоэмиссия, оже-спектроскопия;

Спектроскопия магнитного резонанса:

• В случае ЯМР, основанном на резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля системой ядер с ненулевым магнитным моментом, находящихся во внешнем постоянном магнитном поле, по форме и уширению резонансных кривых, зависящей от взаимодействия резонирующего ядра с локальными магнитными полями других ядер и электронных оболочек можно получить информацию о топографии резонирующих ядер.

• Спектроскопия ЭПР используется при исследовании в поверхностной фазе парамагнитных центров (разорванные связи, радикалы, захватившие электроны дефекты, примеси переходных металлов с незаполненными б, f оболочками). Из ширины и формы линий поглощения ЭПР можно извлечь информацию о взаимодействии парамагнитных центров друг с другом и об их топографии на поверхности. Также весьма информативным является появление тонкой и сверхтонкой структуры. Для поверхностей без собственных парамагнитных дефектов используется методика парамагнитных зондов - адсорбция спиновых меток.

Колебательная спектроскопия адсорбатов: спектроскопия энергетических потерь электронов; отражательно-абсорбционная инфракрасная спектроскопия; спектроскопия неупругого туннелирования электронов.

Определение геометрия (топографии) поверхности:

Рассеяние ионов (используются ионы с дебройлевской длиной волны много меньшей межатомных расстояний, т.е. которые ведут себя как классические частицы, что позволяет анализировать обратное рассеяние в рамках законов упругих столкновений);

Просвечивающая и растровая электронная микроскопия (бомбардировка быстрыми электронами + анализ вторичного электронного, рентгеновского и оптического излучений);

Электронные свойства чистой поверхности полупроводников:

Различные модификации фотоэлектронной спектроскопии;

Спектроскопия энергетических потерь электронов.

Дифракционные методы применимы для исследований упорядоченных структур и наиболее эффективны для чистых поверхностей. Для большинства из них существует проблема учета многократных рассеяний. Методы спектроскопии, основанные на бомбардировках поверхности, также рассчитаны на исследование упорядоченных структур, очень чувствительны к посторонним примесям, но чувствительность падает с уменьшением размеров исследуемой площадки. Кроме того, они могут влиять на химический состав поверхности. Наиболее локальный характер из вышеуказанных методов носит растровая электронная микроскопия. Также в определенной степени для локальных исследований может применяться спектроскопия ЭПР.

Отметим, что СТМ может применяться в различных режимах (см. ниже) как для исследования геометрии поверхности, так и для спектроскопического анализа электронных состояний на поверхности и является более мягким, удобным для анализа и точным методом при локальных исследованиях (в т.ч. неупорядоченных структур). Но СТМ практически не может дать информацию о макроскопических свойствах поверхности. Поэтому, как правило, наилучших результатов в исследовании поверхности удается достичь при совместном использовании различных методик.

В СТМ острие металлического электрода располагают на расстоянии в несколько ангстрем от исследуемой поверхности. Между острием и подложкой прикладывается напряжение от нескольких десятых долей вольта до нескольких вольт. Возникающая разность уровней Ферми двух электродов приводит к тому, что электроны из одного электрода могут туннелировать через барьер в свободные состояния на другом электрод, и затем измеряется возникающий при этом ток (порядка нескольких наноампер). Острие, перемещается с помощью пьезоэлектриков вдоль поверхности (сканируют площадки размером порядка 100x100 А) и перпендикулярно поверхности, причем возможно контролируемое изменение положения иглы на 0.05 А.

Наиболее распространены следующие режимы сканирования:

Топография поверхности: режим постоянного тока. В этом случае с помощью системы обратной связи и пьезоэлектрика расстояние игла-образец г регулируется так, чтобы туннельный ток оставался неизменным. Записывая напряжение, прикладываемое при этом к пьезолектрику, а по нему определяя, при известных свойствам пьезоэлектрика, изменение г(х,у), можно получить топографию поверхности/ Таким образом, передвижение острия дает непосредственное изображение профиля поверхности. Высокое горизонтальное (< 0.5 А) и вертикальное (сотые доли А) разрешение СТМ объясняется чрезвычайно резкой зависимостью туннельного тока от расстояния между поверхностью и острием (уменьшение г на ~1 А увеличивает ток на порядок). С одной стороны, это означает, что только самые крайние атомы острия участвуют в формировании туннельного тока (отсюда высокое горизонтальное разрешение), а с другой стороны, очень малые изменения профиля поверхности приводят к заметным изменениям туннельного тока (отсюда высокое вертикальное разрешение).

Топография поверхности: режим постоянной высоты. При сканировании расстояние от иглы до поверхности поддерживается постоянным, поэтому изменяется туннельный ток в зависимости от этого расстояния. Из «токовой топограммы» можно получить топограмму поверхности. Этот режим более быстрый (нет задержки на систему обратной связи) и поэтому лучше подходит к исследованию динамических процессов на поверхности.

Дифференциальная микроскопия. В этом режиме игла колеблется либо параллельно поверхности (топография поверхности) либо по 2 . В последнем случае, поскольку известна примерная зависимость туннельного тока от г и от высоты барьера, по величине с/ 1п I / б г определяют картину локальной высоты барьера.

СТС - сканирующая туннельная спектроскопия. При тщательном измерении зависимости туннельного тока от приложенного напряжения оказывается возможным из «туннельных» уравнений извлечь данные о плотности электронных состояний образца. Измеряется дифференциальная проводимость б\/дУ , являющаяся характеристикой электронной структуры поверхности (см., например, [1]). Такие измерения проводятся обычно в режиме постоянного расстояния острие-образец.

За последние годы появились новые направления в СТМ - исследованиях: оформились в отдельные группы работы по исследованию топографии и электронной структуры поверхностей различных материалов (металлы, графит, полупроводники, фуллерены, сверхпроводники, органические проводники, аморфные материалы, тонкие пленки, в т.ч. жидкокристаллические);

СТМ - исследования проводятся как в вакууме, так и в других средах (воздух, вода [1,9,10] и др.), а также широко используются в электрохимии [11];

В микроконструировании поверхности [1,7,12];

СТМ - наблюдения кинетики различных трансформаций (реконструкций) поверхности в режиме реального времени [13,14];

СТМ - наблюдения физико-химических реакций (адсорбция, диссоциация, диффузия, электромиграция, фазовые переходы и др.) с участием различных веществ на поверхности в режиме реального времени [15 -17];

СТМ - наблюдения магнитных материалов, процессов с изменением спина [7,18-20];

СТОМ - СТ. оптическая микроскопия [21], комбинирование СТМ с лазерным возбуждением [22], PSTM - photon STM [10];

Резонансная спектроскопия: квантовые пятна, магнето-туннельная[22], плазмонная[23], фононная[24], колебательная[25] (отметим, что колебательная спектроскопия адсорбатов с помощью туннелирования электронов использовалась и до создания СТМ [8, стр. 99-123], однако в [25] неупругие резонансы намного больше, т.е. не нужен сложный дифференциальный анализ l(V), чтобы их увидеть).

Большое внимание уделяют теоретики проблеме расчета туннельного тока [27,26,28-37,18,19,24], как основного источника информации о поверхности. Для правильного анализа очень важно уметь адекватно оценить влияние различных факторов на формирование туннельного тока, что является непростой задачей в силу малости характерных размеров в СТМ - системах. Можно выделить две тенденции в работах по расчету туннельного тока:

1} При размерах зазора игла-образец порядка 5-10 А применимо приближение независимости электронных структур (волновых функций) иглы и образца [27,26,28,29]. В ставшем классическим [Натапп-ТегэоЯ-Вагс1ееп, 27] подходе рассматриваются небольшие напряжения, предполагается перекрытие волновых функций, но не учитываются изменения барьера, из-за взаимодействия электронных структур иглы и образца; используется одноэлектронное приближение. В [26,28] предложен формализм эффективного туннельного потенциала, позволяющий корректно учесть поведение волновых функций в подбарьерной (асимптотической области) области и свести задачу к (¡) предварительному квантовохимическому расчету в основной области локализации электронов (за счет этого может быть учтена многоэлектронность), (и) вычислению эффективного туннельного потенциала (ЭТП) в подбарьерной области и соответствующей одноэлектронной функции Грина.

2) При меньших размерах зазора применяются методы, в которых учитывается взаимодействие иглы и образца [30,31]. В [30] сохраняются приближения одноэлектронности, но с помощью формализма Келдыша и представления об отраженных волнах между иглой и поверхностью учтены явления многократного рассеяния, т.е. в какой-то мере учитывается влияние иглы на поверхность. В [31] предложено рассмотрение туннельного тока с помощью квазистационарных состояний: туннельный ток рассматривается как сумма скоростей распада квазистационарных состояний, при этом взаимодействие игла-образец учитывается в перестройке спектра, образуемого вещественными частями энергий квазистационарных состояний. В предельном случае «больших» расстояний в [30,31] получают результаты [27]. Отметим, что метод квазистационарных состояний [31] позволяет обойти проблему сшивки функций в асимптотической области и сводит задачу к применению методов квантовой химии, т.к. сводит задачу вычисления туннельного тока к определению энергетического спектра ограниченного кластера. Однако, возникает проблема корректного учета взаимодействия между иглой и поверхностью.

Как видим, проблема расчета туннельного тока неразрывно связана с данными о волновых функциях поверхности, т.е. с квантовой химией поверхности, однако эти расчеты требуют корректного знания асимптотик волновых функций, что требует выхода за рамки квантовой химии [26,28]. На очереди решение обратных задач - определение волновых функций поверхности по данным о туннельных токах [28].

Одной из наиболее интересных и сложных задач является теоретическое обеспечение СТМ-исследований поверхностей с дефектами (например, в [32,35] рассмотрены ступеньки на поверхности) и адсорбированными частицами [1,36,37]. В последнем случае, как правило, используются различные подходы к описанию туннелирования через хемосорбированные и физадсорбированные частицы. В частности, для описания туннелирования при наличии хемосорбированных частиц в силу их «близости» к поверхности возможно использование методов квантовой химии. Так, например, в [36] описано резонансное туннелирование через адсорбаты на основе обобщения гамильтониана Ньюнса-Андерсона, широко используемого при описании хемисорбции, а в [37] для описания поверхности 51(001 )-Н использованы вычислительные методы квантовой химии. При СТМ-исследованиях поверхностей с физадсорбатами более адекватным описанием является применение методов теории рассеяния в подбарьерной области (см. главу 3 диссертации).

На сегодняшний день СТМ-исследования представляют обширную научную отрасль, где уже много сделано, но ещё немало нерешённых проблем. К последним можно отнести :

• Технические трудности, связанные с малостью размеров системы: что из себя представляет остриё, какова его истинная волновая функция (чтобы определить геометрию иглы в процессе сканирования дополнительно используется ионный полевой микроскоп [1,7]); определение расстояния до поверхности (одно из направление в решении этой проблемы применение косвенных методик: например в [22] предлагается использовать данные об индуцированном внешним электромагнитным полем в СТМ фототоке, используя зависимость фототока от расстояния игла-поверхность); всевозможные шумы, связанные как с внешними вибрациями, так и с наличием среды в промежутке [40]; Проблемы интерпретации, полученных на СТМ картинок: какие пятна чему соответствуют ? наличие некоторых необьясненных периодичностей;

Проблемы влияния поверхности на разрешающую способность в процессе сканирования [38]. Так в случае полупроводников (когда вклад в туннельный ток могут давать лишь небольшие участки поверхностной зоны Бриллюэна) возможно аномальное поведение разрешающей способности. Одной из главных трудностей в оценке разрешающей способности СТМ является существенная нелинейность СТМ [38].

Проблемы влияния самих СТМ-условий на поверхность в процессе сканирования [40-45].

Сюда можно отнести зависимость результатов от электронной структуры используемой иглы. Так, например, если игла апроксимируется волновой функцией э-типа, то согласно [27] при низких напряжениях туннельный ток пропоционален локальной плотности состояний (ЛПС) образца на уровне Ферми под иглой. Однако, если игла описывается волновой функцией р-, с/- типа, то возникают более сложные зависимости между ЛПС и туннельным током [30,33]. В работе [33] на основе многочисленных экспериментальных данных и расчетов подробно анализируется роль различных состояний на игле (У\/, Мо) в реальном формировании СТМ-образа поверхности. В частности, показано, что в случае острия \Л/(001) наиболее протяженным и поэтому дающий основной вклад в туннельный ток является поверхностное состояние^ •

Показано, что микроскопическая структура иглы существенна при малых размерах зазора, получен переход к «макроскопическому» описанию [27], а также указано, что ¿-характер иглы может быть причиной высокой разрешающей способности СТМ вдоль поверхности. В [19] на основе теоретических и численных расчетов СТМ-образов от антиферромагнитной поверхности Сг(001) показана существенная зависимость результатов от выбора модели немагнитного вольфрамового острия. В работе [34], посвященной туннельной спектроскопии полупроводников, на основе модельных представлений показано, что l(V) (а не dl/dV) хорошо описывает ЛПС, если игла имеет дискретный уровень под континуумом зоны проводимости. Также показано, что при отсутствии дискретного уровня величина dl/dV описывает ЛПС образца для напряжений, соответствующих сканированию состояний образца до первой сингулярности Ван-Хова, но далее вплоть до следующей сингулярности Ван-Хова величина dl/dV описывает ЛПС иглы. В работе [44] в зависимости от расстояния игла-образец рассматриваются три режима СТМ (независимых электродов; появление на поверхности состояний, индуцированных иглой (TILS - tip induced local states); появление химической связи), и подробно рассматриваются изменения в электронной структуре поверхности графита при приближении алюминиевой иглы.

В [39] рассмотрены влияние формы, диэлектрических свойств и работ выхода металлических электродов (игла и образец) на туннельные характеристики. Показано, что для металлов с плазмонами различной частоты возможны ассиметрия барьера, а также туннельного тока и проводимости. В частности, понижение барьера вблизи «главного» атома острия приводит к дополнительной фокусировке тока, что способствует улучшению разрешающей способности СТМ вдоль поверхности.

Проблема влияния туннельного тока на плотность состояний в образце, которая в свою очередь влияет на величину туннельного тока. Для ряда параметров системы ток + полупроводник эта задача рассмотрена в диссертации.

• Отметим также, что СТМ предполагает наличие достаточной проводимости материалов и не приспособлено для сканирования изоляторов и проводников с толстым изолирующим покрытием. В этом случае для локального зондирования используется родственная СТМ методика атомной силовой микроскопии (AFM - Atomic Force Microscopy) [1,7], основанной на измерении сил взаимодействия между острием и атомами поверхности.

Следует отметить, что случай близких расстояний для СТМ-исследований поверхности необходим не так часто, но имеет важное значение при технологическом использовании СТМ в области наноэлектроники, а также самостоятельное значение для теории туннелирования. Далее в диссертации, подразумевается режим наименьшего влияния иглы на поверхность, как наиболее благоприятный при исследованиях поверхности, и отправной точкой является метод эффективного туннельного потенциала [26].

В диссертации, состоящей из четырех глав, заключения и списка литературы рассмотрены следующие вопросы:

1) Распределение поля и плотности электронов в приповерхностном слое полупроводника при токах высокой плотности (до 105-106 A/cm2), характерных для СТМ (глава 1). Найдены зависимости распределений от двух внешних параметров - поля на границе и плотности туннельного тока. Это имеет значение в туннельной спектроскопии, где для расчета туннельных токов важно знать, как эти токи сами влияют на плотность состояний вблизи поверхности. Показано, что при плоской геометрии влияние тока на плотность состояний в приповерхностном слое полупроводника существенно, однако двумерный расчет (как результат трехмерной постановки с учетом азимутальной симметрии) показал, что влиянием тока на плотность состояний при такой геометрии можно пренебречь. Обсуждается применимость расчетов к условиям эксперимента и более точная самосогласованная постановка задачи.

2) Расчет эффективного туннельного потенциала (ЭТП) для кристалла (глава 2). Знание ЭТП позволяет использовать недавно разработанную методику расчета туннельных токов [26]. Рассмотрен вопрос о влиянии вида поверхностной блоховской функции состояния, из которого (в которое) туннелирует электрон на ЭТП и на формирование туннельного тока.

3) Подбарьерное рассеяние на атомах и молекулах (глава 3). Предложен вариационно-асимптотический метод расчета амплитуды подбарьерного рассеяния электрона на элекгронсодержащих системах (атомы и молекулы). Метод сводится к нахождению асимптотического значения волновой функции электрона в области рассеивающей системы. Получено общее выражение амплитуды рассеяния Т, выраженное через эту асимтотику. Рассчитаны амплитуды подбарьерного рассеяния атомами водорода Н и гелия Не. Полученные предельные (при малых энергиях связи) значения амплитуд близки к амплитудам рассеяния медленных электронов. Найдена зависимость Т от энергии и от угла. Показано, как с помощью Т найти амплитуду туннельного перехода электрона с учетом влияния рассеивающей системы. Показана существенная зависимость Т от полного спина системы "туннелирующий электрон + парамагнитный рассеивающий центр". Показана возможность усиления или ослабления туннельного тока при наличии парамагнитного адсорбата в СТМ системе. Знание амплитуды подбарьерного рассеяния необходимо для расчета токов в присутствии физадсорбатов на поверхности или на игле.

4) Проблема наблюдения и идентификация спинов одиночных парамагнитных частиц на поверхности полупроводников в СТМ, в которой ЭПР парамагнитного центра наблюдается с помощью изменения туннельного тока (глава 4). Существенная зависимость Г от спина явилась физической основой предложенной методики наблюдения и идентификация спинов одиночных парамагнитных частиц на поверхности полупроводников в СТМ, в которой ЭПР парамагнитного центра наблюдается с помощью изменения туннельного тока. При комнатной температуре наблюдение ЭПР возможно только с использованием ферромагнитной иглы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Мурясов, Руслан Рахимович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрен вопрос учета в СТМ самосогласованной зависимости туннельного тока и распределения поля и плотности носителей в полупроводнике под иглой. Показано, что для ряда параметров задачи в первом приближении можно пренебречь влиянием тока, а именно, можно рассчитать потенциал в бестоковом случае и эти значения потенциала использовать в расчете одноэлектронных туннельных переходов. Рассчитан обменный эффективный туннельный потенциал туннелирующего электрона для кристалла. Изучена зависимость частичного ЭТП \/р(г) от квазиимпульса р. Показано влияние вида поверхностной блоховской функции на ЭТП и на формирование туннельного тока в СТМ. В частности, показано, что основной вклад в амплитуду туннельного перехода дает А0 -нулевая фурье-гармоника блоховской функции, но возможно небольшое усиления тока за счет итерференции А, - первой фурье-гармоники блоховской функции и - первой фурье-гармоники ЭТП для материалов с А)«А|.

Предложен вариационно-асимптотический метод расчета амплитуды подбарьерного рассеяния электрона на электронсодержащих системах (атомы и молекулы). Метод сводится к нахождению асимптотического значения волновой функции электрона в области рассеивающей системы. Получено общее выражение амплитуды рассеяния Г, выраженное через эту асимтотику. Рассчитаны амплитуды подбарьерного рассеяния атомами Н и Не. Полученные предельные (при малых энергиях связи) значения амплитуд близки к экспериментальным значениям амплитуд рассеяния медленных электронов. Найдена зависимость Т от энергии и от угла. Показано, как с помощью Т найти амплитуду туннельного перехода электрона с учетом влияния рассеивающей системы. Показана существенная зависимость Т от полного спина системы "туннелирующий электрон + парамагнитный рассеивающий центр". Показана возможность усиления или ослабления туннельного тока при наличии парамагнитного адсорбата в СТМ системе. Существенная зависимость Т от спина явилась физической основой предложенной методики наблюдения и идентификация спинов одиночных парамагнитных частиц на поверхности полупроводников в СТМ, в которой ЗПР парамагнитного центра наблюдается с помощью изменения туннельного тока. При комнатной температуре наблюдение ЭПР возможно только с использованием ферромагнитной иглы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мурясов, Руслан Рахимович, 2000 год

1. Scanning Tunneling Microscopy 1 , ed. H.-J.Gundtherodt & R.Wiesendanger, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1992), 247 p.

2. В.И. Гольданский, Л.И. Трахтенберг, В.А. Флеров, Туннельные явления в химической физике, Наука, Москва (1986), 294 с.

3. К. И. Замараев, В. П. Хайрутдинов, В. П. >Кданов, Туннелирование электронов в химии, Наука, Новосибирск (1985), 318 с.

4. Туннельные явления в твердых телах, под ред. Э. Бурштейна и С.Лундквиста, Мир, Москва (1973) 422 с.

5. Э.Г. Петров, Физика переноса зарядов в биосистемах, Наукова Думка, Киев (1984), 368 с.

6. Ф. Бехштедт, Р. Эндерлайн, Поверхности и границы раздела полупроводников, Мир, Москва (1990), 488 с.

7. В.Ф. Киселев, С.Н. Козлов, А.В. Зотеев, Основы физики поверхности твердого тела, МГУ, Москва (1999), 287 с.

8. Физика поверхности: колебательная спектроскопия адсорбатов, под ред. Р.Уиллиса, Мир, Москва (1984), 248 с.

9. J.P. Song, К.A. Morch, К. Carneiro, A.R. Tholen, "STM investigations of solid surfaces in water and air", Surf. Sci. 296, №3, 299-309 (1993).

10. M.J. Gallagher, S. Howells, L. Yi, T. Chen, D. Sarid, "Photon emission from gold surfaces in air using STM" , Surf. Sci. 278, №3, 270-280 (1992).

11. Y.C. Wu, H.W. Pickering, D.S. Gregory, S.Geh, T. Sakurai, "Real time STM of anodic dissolution of copper", Surf. Sci. 246, №3, 468-476 (1991).

12. C.J. Roberts, B. Hoffman-Mi I lack, W.S. Steer, "Surface microfabrication of a gold surface in argon using STM", Surf. Sci. 254, №1-3, L448-L453 (1991).

13. R.M. Feenstra, M.A. Lutz, "Kinetics of the Si(111)2x1->5x5 and 7x7 transformation studied by STM", Surf. Sci. 243, №1-3, 151-165(1991).

14. X. Gao, G.J. Edens, A. Hameiin, M.J. Weaver, "Real-space formation and dissipation mechanisms of hexahonal reconstruction on Au(100) in aqueousmedia as explored by potentiodynamic STM ", Surf. Sci. 296, №3, 333-351 (1993).

15. Ph. Avouris and In-Whan Lyo, "Probing and inducing surface chemistry with the STM: the reactions of Si(111)7x7 with H20 and 02 ", Surf. Sci. 242, 1-11 (1991).

16. D. Heuer, J. Muller, H. PfnQr, U.Kohler, "Determination of the adsorption site of sulphur on Ru(0001) by STM", Surf. Sci. 297, №1, L61-L67 (1993).

17. M.J. Bronikovski, Y. Wang, M.T. McEllistrem, D. Chen, R.T. Hamers, "Adsorption and dissociation ofdisilane on Si(001) studied by STM", Surf. Sci. 298, №1, 50-62 (1993).

18. S.N. Molotkov, "Theory of electron-spin resonance topography of surfaces by the STM", Surf. Sci. 302, №1-2, 235-240 (1994).

19. S.N. Molotkov, S.S. Nazin, "Theory of STM of the antiferromagnetic Cr(001) surface with non-magnetic Wtips", Surf. Sci. 304, №1-2, 109-118 (1993).

20. N.B. Brakes, A. Clarke, P.D. Johnson, M. Weinert, "Magnetic Surface States on Fe(001) ", Phys.Rev. В 41, №4, 2643-2645 (1990).

21. W. Krieger, T. Suzuki, M. Volcher, H. Walther, "Generation of microwave radiation in the tunneling junction of STM ", Phys.Rev. В 41, №14, 1022910332 (1990).

22. A. Levy Yeati, F. Flores,"Photocurrent effects in STM", Phys.Rev. В 44, №16, 9020-9024 (1990).

23. J.P. Dufour, T. David, Y. Lacroute, J.P. Goudonhet, "Plasmon resonance in sputtered gold films observed in STM", Surf. Sci. 310, №1-3, 301-306 (1994).

24. N.J. Zheng, I.S.T. Tsong, "Resonant-tunneling theory of imaging close-packed metal surfaces by STM", Phys.Rev. В 41, №5, 2671-2677 (1990).

25. M.A. Гришин, Ф.И. Далидчик, С.А. Ковалевский, H.H. Колченко, Б.Р. Шуб, "Изотопический эффект в колебательных спектрах воды, измеренных в экспериментах со сканирующим туннельным микроскопом ", Письма в ЖЭТФ 66, вып.1, 37-39 (1997).

26. G.K. Ivanov, M.A. Kozhushner, "Asymptotics of many-electron wavefunctions and calculation of tunnel transitions ", Chem. Phys. 170, 303-313 (1993).

27. J. Tersoff, D.R. Hamann, "Theory of scanning tunneling microscopy ", Phys.Rev. В 31, №2, 805-813 (1985).

28. Г.К. Иванов, M.A. Кожушнер, И.И. Олейник, "Количественная теория сканирующей туннельной спектроскопии ", Хим. физика 14, №8, 25-37 (1995).

29. C.Noguera, "Theoretical approach to the scanning tunneling microscopy ", Phys.Rev. В 42, №3, 1629-1637 (1990).

30. W.Sacks, C.Noguera, "Generalized expression for the tunneling current in STM ", Phys.Rev. В 43, №14, 11612-11622 (1990).

31. S.N. Molotkov, S.S. Nazin, I.S. Smirnova and V.V. Tatarskii, "Theory of scanning tunneling spectroscopy: application to Si (100)2x1 surface ", Surf. Sci. 259, 339-350 (1991).

32. L.C. Davis, M.P. Everson, R.C. Jaclevic, W. Shen, "Theory of the local density of surface states on a metal : Comparison with scanning tunneling spectroscopy of a Au(111) surface ", Phys.Rev. В 43, №5, 3821-3830 (1991).

33. С. Julian Chen, "Tunneling matrix elements in three-dimensional space: The derivative rule and the sum rule *', Phys.Rev. В 42, №14, 8841-8857 (1990).

34. F.Z. Zypman, L.F. Fonseca, Y. Goldstein, "Theory of tunneling spectroscopy for semiconductors", Phys.Rev. В49, №3, 1981-1988(1994).

35. G. Hôrmandiger, "Imaging of the Cu(111) surface state in scanning tunneling microscopy", Phys.Rev. В 49, №19, 13897-13905 (1994).

36. M.A. Gata, P.R. Antoniewicz, "Resonant tunneling through adsorbates in scanning tunneling microscopy", Phys.Rev. В 47, №3, 13797-13807(1993).

37. T. Uchiyama, M. Tsukada, "Theory of scanning tunneling microscopy and spectroscopy of the hydrogen-terminated Si(001) surface ", Surf. Sci. 313, 1724 (1994).

38. J. Tersoff, "Sample-dependent resolution in scanning tunneling microscopy ", Phys.Rev. В 39, №2, 1052-1057 (1989).

39. D. Sestovic, L. Marusic, M. Sunjic, "Dynamical screening in the scanning tunneling microscope and metal-insulator-metal junctions ", Phys.Rev. В 55, №3, 1741-1747(1997).

40. M. Sumetski, А.А. Kornyshev, "Noise in STM due to atoms moving in tunneling space", Phys.Rev. В 48, №3, 17493-17505 (1993).

41. J.F. Womelsdorf, M. Sawamura, W.C. Ermler, "Scanning tunneling microscopy: a critical view of tip participation", Surf. Sci. 241, №1, L11-L15 (1991).

42. J.P. Pelz, R.H. Koch, "Tip related artifacts in scanning tunneling potentiometry", Phys.Rev. В 41, №2, 1212-1215 (1990).

43. D. Keller, "Reconstruction of STM and AFM images distorted by finite-size tips", Surf. Sci. 253, №1-3, 353-364 (1991).

44. S. Ciraci, A. Baratoff, I.P. Batra, "Tip-sample iteraction effects in scanning-tunneling and atomic-force microscopy ", Phys.Rev. В 41, №5, 2763-2775 (1990).

45. J. Tersoff, "Role of tip electronic structure in Scanning Tunneling Microscope Images", Phys.Rev. В 41, №2, 1235-1238 (1990).

46. R.H. Kingston, S.F. Neustadter, "Calculation of the space charge, electric field, and free carrier concentration at the surface of a semiconductor", J.Appl.Phys 26, №6, 718-720 (1955).

47. C.F. Young, "Extended curves of the space charge, electric field, and free carrier concentration at the surface of a semiconductor, and curves of the electrostatic potential inside a semiconductor ", J.Appl.Phys 32, №3, 329-332 (1961).

48. E.H. Rhoderick, R.H. Williams, Metal-Semiconductor Contacts, 2nd ed., Oxford University Press, New York (1988), 250 p.

49. S. Selberherr, Analysis and Simulation of Semiconductor Devices, Springer Verlag, Vienna (1984), p. 9-201

50. В.Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников, Физика полупроводников, Наука, Москва (1990), 688 с.

51. М.А. Кожушнер, P.P. Мурясов, "Распределение тока в полупроводнике вблизи поверхности при больших токах ", Хим.физика 18, №1, 68-72 (1999).

52. В.А. Зайцев, А.Д. Полянин, Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, Наука, Москва (1995), 560 с.

53. Р.П. Федоренко, Введение в вычислительную физику, МФТИ, Москва1995), 320 с.

54. Д. Поттер, Вычислительные методы в физике, Мир, Москва (1975), 392 с.

55. E.W. Schmid, G. Spitz, W. Losch, Theoretical physics on the personal computer, 2nd ed., Springer Verlag, Berlin (1990), 213 p.

56. A.H. Бубенников, Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем, Высшая школа, Москва (1989), 320 с.

57. Физические величины, справочник под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, Энергоатомиздат, Москва (1991), 1232 с.

58. М.Ламперт, П.Марк, Инжекционные токи в твердых телах, Мир, Москва (1973), 416 с.

59. G.K. ivanov and М.А. Kozhushner, "Asymptotic behavior of atomic wave functions", Phys. Lett. A 188, 361-367 (1994).

60. Г.К. Иванов, М.А. Кожушнер, "Асимптотическое поведение атомных волновых функций", ЖЭТФ 105, вып.З, 545-554 (1994).

61. G.K. Ivanov, М.А. Kozhushner and I.I. Oieinik, "Direct and inverse problems in the theory of scanning tunneling microscopy ", Surf. Sci. 331-333, 1191-11961996).

62. G.K. Ivanov, M.A. Kozhushner and I.I. Oieinik, "Tunneling dynamics of electrons and effective tunneling potential", Surf. Sci. 363, 360-367 (1996).

63. К.Я. Бурштейн, Г.К. Иванов, М.А. Кожушнер, B.C. Посвянский, "Асимптотическое поведение электронных волновых функций многоатомных молекул. Бензол", ЖЭТФ 109, вып. 1, 63-73 (1996).

64. Г.К. Иванов, М.А. Кожушнер, И.И. Олейник, "Локализованные квантовые состояния на поверхности и их СТМ-изображения ", Хим. физика 18, №1, 3-8(1999).

65. И.С. Градштейн, И.М. Рыжик, Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений, ГИФМЛ, Москва (1963), 1100 с.

66. Справочник по специальным функциям, ред. М.Абрамович и И.Стиган, Наука, Москва (1979), 832 с.

67. N.D. Lang, "The metal surface in jele model and its STM map", Comments Condensed Matter Physics 14, 253-262 (1989).

68. E.Kh. Brikenshtein, M.A. Kozhushner, D.N. Pen'kov, C.N. Strekova,

69. R.F. Chairutdinov, "Mediator centres and light-induced electron transfer in donor-acceptor systems", Chem. Phys. 135, 209-217 (1989).

70. Э.Г. Петров, И. И. Украинский, В.Н. Харкянен, "Среда медиатор переноса электрона на большие расстояния в биологических системах", ДАН 241, №4, 966-969 (1978).

71. V.N. Charkyanen, E.G. Petrov and I.I. Ukrainskii, "Donor-acceptor model of electron transfer through proteins ", J. Ther. Biol. 73, 29-50 (1978).

72. J.N. Onuchic, D.N. Beratan, "A Predictive theoretical model for electron tunneling pathways in proteins", J. Chem. Phys. 92, №1, 722-733 (1990).

73. D.N. Beratan, J.J. Hopfield, "Calculation of electron tunneling matrix elements in rigid systems: mixed valence dithiaspirocyclobutane ", J. A. C. S. 106, №6, 1584-1594(1984).

74. В.Н. Харкянен, "Одномерная нерегулярная последовательность молекул как медиатор переноса электрона между донором и акцептором", Хим. физ. 2, №2, 192-200 (1983).

75. М.А. Кожушнер, P.P. Мурясов, "Теория туннелироеания электронов сквозь атомы и молекулы", Хим. физ. 19, №6, 3-14 (2000).

76. М.А. Кожушнер, P.P. Мурясов, "Теория туннелироеания электронов сквозь атомы и молекулы — подбарьерное рассеяние ", Доклады Академии Наук 372, №5, 628-631 (2000).

77. Г.К. Иванов, "Об использовании данных по рассеянию электронов в расчетах обменного взаимодействия возбужденных атомов с молекулами", ТЭХ 12, №2, 163-168 (1976).

78. А.И. Базь, Я.Б. Зельдович, A.M. Переломов, Рассеяние, реакции, распады в нерелятивистской квантовой механике, Наука, Москва (1971), изд. 2-е, 544с.

79. Г. Бете и Э. Солпитер, Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами, пер. с англ., Физматгиз, Москва (1960), 562 с.

80. В.М. Галицкий, Б.М. Карнаков, В.И. Коган, Задачи по квантовой механике, Наука, Москва (1992), изд.2-е, 879 с.

81. Дж. Слэтер, Электронная структура молекул, Мир, Москва (1965), 587 с.

82. В.И. Минкин, Б .Я. Симкин, P.M. Миняев, Теория строения молекул,

83. Феникс, Ростов (1999), 560 с.

84. Ю.Н. Демков, Вариационные принципы в теории столкновений, ГИФМЛ, Москва (1958), 168 с.

85. Ф.Дж. Бэрк, Потенциальное рассеяние в атомной физике, Атомиздат, Москва (1980), 100 с.

86. Б.М. Смирнов, Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме, Атомиздат, Москва (1968), 364 с.

87. T.F. O'Malley, P.G. Burke and К.А. Berrington, "R-matrix calculation of low-energy e-He scattering ", J. Phys. B. 12, №6, 953-965 (1979).

88. A.C. Давыдов, Квантовая механика, Наука, Москва (1973), изд. 2-е, 704 с.

89. М.А. Kozhushner and D.N. Pen'kov, "Influence of exciton scattering correlations on optical spectra of disordered crystals", Phys. Lett. A 170, 58-63 (1992).

90. A.W. McKinnon, W.E. Welland, T. Rayment and M.N. Levitt, Abstr. Intern.conf. on STM, Interlaken, Switzerland 51(1991).

91. D. Shachal and Y. Manassen, "Mechanism of electron-spin resonance studied with use of scanning tunneling microscopy ", Phys. Rev. В 46, 4795-4805 (1992).

92. C.H. Молотков, "Новый механизм модуляции тока в постоянном магнитном поле в сканирующем туннельном микроскопе ", Письма ЖЭТФ59, вып.З, 178-181 (1994).

93. Ф.И. Далидчик, А.А. Лундин, Б.Р. Шуб, "ЭПР «Атомного разрешения» (возможные механизмы)", Хим. Физика 17, № 6, 12-16 (1998).

94. М.А. Кожушнер, Б.Р. Шуб, P.P. Мурясов, "Об экспериментальных возможностях наблюдения одиночных спинов в СТМ ", Письма в ЖЭТФ 67, вып.7, 484-488 (1998).

95. С. А. Апьтшуллер, Б. М. Козырев, Электронный парамагнитный резонанс, Физматгиз, Москва (1961), 368 с.

96. A. Overhauser, "Polarization of Nuclei in Metals ", Phys. Rev. 92, №2, 411-415 (1953).