Исследование электронных свойств поверхности висмута методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.4.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОНЫ В ВИСМУТЕ.7.

1.1. Кристаллическая структура висмута.7.

1.2. Удвоение периода решетки.8.

1.3. Полуметаллы.9.

1.4. Квантовые осцилляции восприимчивости и проводимости.

Форма электронной и дырочной поверхностей Ферми.9.

1.5. Циклотронный резонанс. Эффективные массы.12.

1.6. Магнитоплазменные волны. Концентрация носителей тока.15.

1.7. Магнитные поверхностные уровни. Скорость электронов.17.

1.8. Зонная структура висмута.18.

1.9. Деформационная теория.23.

1.10. Модели спектра электронов.25.

1.11. Электроны у поверхности висмута.28.

ГЛАВА II. ПРИНЦИПЫ СТМ.33.

2.1. Туннельный эффект.33.

2.2. Принцип работы туннельного микроскопа.35.

2.3. Туннелирование в атомном масштабе.37.

2.4. Сканирующая туннельная спектроскопия.43.

2.5. Основы конструкции СТМ.46.

ГЛАВА III. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.54.

3.1. Криостат для низкотемпературных СТМ исследований.54.

3.2. Конструкция СТМ.60.

3.3. Методика изготовления игл для СТМ.74.

3.4. Приготовление образцов висмута.77.

3.5. Техника измерений и управление СТМ.80.

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

ВИСМУТА МЕТОДАМИ СТМ.85.

4.1. Структурные СТМ исследования поверхности висмута.85.

4.2. Туннельные спектры на поверхности висмута.87.

4.3. Режим вакуумного туннелирования.90.

4.4. Туннельная спектроскопия тригональной поверхности и поверхности двойниковой прослойки.93.

4.5. Поверхностные электронные состояния в висмуте.105.

Висмут играет особую роль в физике металлов. Это обусловлено его уникальными электронными свойствами. Число носителей тока в висмуте порядка 10"5 на атом, их эффективные массы имеют порядок 0.1 -н 0.01 массы свободного электрона, энергия Ферми в висмуте порядка нескольких сотых электрон-вольта. Занимая с точки зрения электронных свойств промежуточное положение между нормальными металлами и полупроводниками, висмут наиболее легко проявляет специфические металлические свойства. Так, на висмуте впервые были обнаружены сильное магнетосопротивление [1], эффекты де Гааза - ван Альфена [2] и Шубникова - де Гааза [3], циклотронный резонанс в металлах [4], осциллирующая магнитострикция [5], были сделаны первые детальные измерения магнитных поверхностных уровней [6]. Многочисленные экспериментальные и теоретические работы, посвященные исследованию электронных свойств висмута, во многом определили развитие физики металлов и стали основой современных представлений об электронах в металлах.

Электронные свойства поверхности висмута изучены значительно менее детально, но в последние годы именно поверхность привлекает особое внимание исследователей. Причина такого интереса заключается в том, что для висмута из общих соображений можно ожидать радикальной перестройки электронного спектра вблизи поверхности. Связано это с тем, что концентрация носителей тока в висмуте на пять порядков ниже, чем в нормальных металлах, длина волны носителей и Дебаевский радиус экранирования в висмуте достигают сотен ангстрем и значительно превышают межатомное расстояние. Следовательно, наличие поверхности должно сказываться на носителях тока в приповерхностном слое толщиной в сотни ангстрем, приводя к перестройке системы электронов проводимости вблизи поверхности. В связи с этим представляют интерес исследования электронных свойств поверхности висмута.

Данная работа посвящена исследованию электронов у поверхности висмута методами сканирующей туннельной микроскопии [7] и спектроскопии [8, 9]. Главная особенность данной методики состоит в том, что сочетание техники СТМ и СТС позволяет в одном эксперименте получать изображения поверхности и измерять туннельные спектры в различных ее точках, изучать электронные свойства поверхности в связи с ее фактической структурой с пространственным разрешением вплоть до атомного.

Основной экспериментальной задачей данной работы было получение СТМ изображение поверхности висмута, поиск на поверхности таких структурных особенностей, как ступени двухатомной высоты на границах атомно гладких террас, дислокации, двойниковые прослойки, измерение туннельных спектров поверхности в окрестности таких структурных особенностей с целью поиска закономерностей, которые могли бы дать информацию о природе электронного спектра поверхности висмута.

В одном из экспериментов удалось наблюдать двойниковую прослойку на тригональной (111) поверхности висмута и провести одновременно туннельную спектроскопию двух различных кристаллографических поверхностей висмута: тригональной поверхности и поверхности двойниковой прослойки [10]. Анализ измеренных туннельных спектров показал, что особенности на спектрах вблизи уровня Ферми, в диапазоне энергий от -0.5 эВ до +0.5 эВ, не могут быть связаны с электронными состояниями в объеме висмута и являются следствием существования на поверхности висмута поверхностных электронных состояний. Показано, что наблюдающаяся конечная плотность электронных состояний на уровне Ферми, в отличие от аномально малой для электронов в объеме висмута, имеет обычный, характерный для нормальных металлов порядок величины, составляя примерно 0.1-И эл./атом-эВ. Тем самым доказано, что у поверхности висмута существуют электронные состояния, формирующие в приповерхностном слое двумерный металл с нормальной металлической плотностью носителей тока, и измерен энергетический спектр соответствующих поверхностных электронов.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе представлен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных свойствам электронов в висмуте. В конце главы рассмотрены эксперименты, результаты которых косвенно свидетельствуют о наличии поверхностных состояний в висмуте и обосновывают тем самым необходимость исследования электронных свойств поверхности висмута. Кроме того, в первой главе рассмотрены эксперименты, проведенные после опубликования основных результатов диссертации и подтверждающие существование поверхностных состояний в висмуте.

Вторая глава диссертации посвящена основным принципам сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Рассмотрены как теоретические основы метода, так и особенности конструирования СТМ.

В третьей главе содержится описание методики эксперимента. Рассматриваются особенности конструкции криостата для низкотемпературных СТМ исследований, представлена конструкция СТМ с трехкоординатной электромагнитной шаговой системой позиционирования острия, описана техника изготовления игл для СТМ и методика приготовления образцов висмута.

В четвертой главе представлены основные экспериментальные результаты диссертации. В начале главы обсуждаются особенности исследования поверхности висмута методом СТМ. Затем рассматриваются результаты эксперимента, в ходе которого на тригональной (111) поверхности висмута наблюдалась двойниковая прослойка. Представлены результаты туннельной спектроскопии двух кристаллографически различных поверхностей висмута и проводится анализ измеренных туннельных спектров, основным результатом которого является вывод о существовании поверхностных состояний, формирующих у поверхности висмута двумерный слой с обычной для нормальных металлов плотностью электронов проводимости на уровне Ферми.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

Исследование спектра поверхностных состояний в висмуте методом сканирующей туннельной спектроскопии", А.В. Офицеров, B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 120, 731,(2001),

STS study of spectrum of surface electronic states in bismuth", A.V. Ofitserov, V S. Edelman, PhysicaB, 329-333, 1094, (2003), и представлены на конференциях

Scanning probe microscopy - 2002, International Workshop", 3-6 марта 2002 г., Нижний Новгород.

The 19th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society", 7-11 апреля 2002 г., Брайтон, Великобритания,

The 23rd International Conference on Low Temperature Physics", 20-27 августа 2002 г., Хиросима, Япония.

В заключение автору хотелось бы выразить большую и искреннюю благодарность Валериану Самсоновичу Эдельману, под руководством которого была сделана данная работа. Его помощь и внимание на протяжении всего срока работы над диссертацией были очень важны для автора. Всем тем, что автор знает и умеет в экспериментальной физике, он обязан своему научному руководителю.

Хотелось бы также поблагодарить Ивана Николаевича Хлюстикова, Алексея Марковича Трояновского и Дмитрия Юрьевича Шарвина за помощь в работе и многочисленные полезные советы.

Автор благодарен директору Института физических проблем им. П.Л. Капицы академику Александру Федоровичу Андрееву за предоставленную возможность работы в Институте, а также всему коллективу Института за содействие в проведении исследований и творческую атмосферу, помогающую учиться и работать.

Работы была проведена при поддержке РФФИ и фонда "Landau Scholarship" исследовательского центра "Forschungszentrum Julich", Германия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Главной целью данной работы было исследование структуры и электронных свойств поверхности скола висмута методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Задача проведения корректных и воспроизводимых измерений такого рода потребовала внесения ряда изменений и дополнений в методику СТМ исследований поверхности висмута. В ходе выполнения данной работы были сконструированы трехкоординатная электромагнитная система шагового позиционирования острия СТМ и держатель образцов с возможностью раскалывания и нагрева образца in situ, что в совокупности позволило повысить устойчивость СТМ к внешним механическим вибрациям и упростило проведение измерений в широком диапазоне температур от температуры жидкого гелия до температуры плавления висмута. Насколько известно, подобные устройства ранее не применялись в технике СТМ, и их разработка является важным методическим результатом данной работы.

Основные физические результаты этой работы были получены в ходе эксперимента, в котором удалось наблюдать двойниковую прослойку на тригональной (111) поверхности висмута и провести одновременно туннельную спектроскопию двух различных кристаллографических поверхностей висмута: тригональной поверхности и поверхности двойниковой прослойки, или квазитригональной поверхности. Сопоставление туннельных спектров для разных поверхностей и проведенный анализ режима туннелирования, осуществлявшегося при проведении эксперимента, позволили обосновать корректность проведенных спектроскопических измерений и исключить возможный вклад особенностей плотности электронных состояний острия СТМ в наблюдаемые туннельные спектры, связав тем самым особенности на спектрах с плотностью электронных состояний исследуемых поверхностей висмута. Дальнейший анализ измеренных туннельных спектров показал, что особенности на спектрах вблизи уровня Ферми, в диапазоне энергий от -0.5 эВ до +0.5 эВ, не могут быть связаны с электронными состояниями в объеме висмута. Было показано, что наблюдающаяся конечная плотность электронных состояний на уровне Ферми, в отличие от аномально малой для электронов в объеме висмута, имеет обычный, характерный для нормальных металлов порядок величины, составляя примерно 0.1-И эл./атом-эВ. Тем самым доказано, что у поверхности висмута существуют электронные состояния, формирующие в приповерхностном слое двумерный металл с нормальной металлической плотностью носителей тока. В ходе эксперимента измерен энергетический спектр соответствующих поверхностных электронов, причем не только для тригональной и квазитригональной поверхностей, но и для переходной области, что позволило проследить трансформацию электронного спектра при переходе между поверхностями с различной кристаллической структурой и разной симметрией. Таковы основные результаты работы, представляющиеся к защите.

Сопоставление результатов данной работы с данными других СТМ/СТС исследований поверхности висмута невозможно, поскольку, насколько известно, подобные исследования более нигде не ведутся. Сравнение результатов работы с данными о поверхностных состояниях в висмуте, полученными другими методами, в частности, путем фотоэмиссионной спектроскопии, позволило, в частности, опровергнуть предположение о существовании волн зарядовой плотности на поверхности висмута. Сравнение экспериментальных данных, полученных в этой работе, с результатами теоретических исследований электронных свойств поверхности висмута также невозможно, поскольку какие-либо теоретические рассчеты, посвященные поверхностным состояниям в висмуте, на данный момент не известны. Хочется, однако, надеяться, что данная работа послужит стимулом к развитию теории поверхностных электронных состояний в висмуте, и представленные экспериментальные результаты станут базой для теоретических моделей, описывающих электронные свойства поверхности висмута.

1. P.L. Kapitza, Proc. Roy. Soc., A119, 401, (1928).

2. W.Y. de Haas, P.M. van Alphen, Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 33, 1106, (1930).

3. L. Shubnikov, W.Y. de Haas, Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 33, 130, (1930).

4. J.K. Gait, W.A. Yager, F.R. Merritt, B.B. Cetlin, H.W. Dail, Phys. Rev., 100,748,(1955).

5. B.A. Green, B.S. Chandrasekhar, Phys. Rev. Lett, 11, 331, (1963).

6. M.C. Хайкин, УФН, 96, 409, (1968).

7. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Phys. Rev. Lett., 49, 57, (1982).

8. A. Selloni, P. Carnevali, E. Tosatti, C.D. Chen, Phys. Rev. B, 31, 2602, (1985).

9. J.A. Stroscio, R.M. Feenstra, A.P. Fein, Phys. Rev. Lett., 57, 2579, (1986).

10. A.B. Офицеров, B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 120, 731, (2001).

11. А.А. Абрикосов, Л.А. Фальковский, ЖЭТФ, 43, 1089, (1962).

12. M.C. Хайкин, C.M. Черемисин, B.C. Эдельман, ПТЭ, 4, 225, (1970).

13. А.А. Абрикосов, Введение в теорию нормальных металлов, "Наука", (1970).

14. Д. Шенберг, ЖЭТФ, 8, 1271, (1938).

15. Н.Б. Брандт, Т.Ф. Долголенко, Н.Н. Ступоченко, ЖЭТФ, 45, 1319, (1963).

16. B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 64, 1734, (1973).

17. Н.Б. Брандт, А.Е. Дубровская, Г.А. Кытин, ЖЭТФ, 37, 572, (1959).

18. М.Я. Азбель, Э.А. Канер, ЖЭТФ, 32, 896, (1957).

19. B.C. Эдельман, М.С. Хайкин, ЖЭТФ, 49, 107, (1965).

20. R.J. Dinger, A.W.Lowson, Phys. Rev., 137, 5215, (1973).

21. C.M. Черемисин, B.C. Эдельман, M.C. Хайкин, ЖЭТФ, 61, 1112, (1971).

22. А.П. Володин, M.C. Хайкин, B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 65, 2105, (1973).

23. Э.А. Канер, В.Г. Скобов, УФН, 89, 367, (1966).

24. Л.А. Фальковский, ЖЭТФ, 46, 1820, (1964).

25. М.С. Хайкин, Л.А. Фальковский, B.C. Эдельман, Р.Т. Мина, ЖЭТФ, 45, 1704,(1963).

26. B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 54, 1726, (1968).

27. B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 68, 255, (1973).

28. М.С. Хайкин, Письма ЖЭТФ, 4, 164, (1966).

29. T.W. Nee, R.E. Prange, Phys. Lett., А25, 582, (1967).

30. М.С. Хайкин, ЖЭТФ, 39, 212, (1960).

31. V.S. Edelman, Adv. Phys., 25, 555, (1976).

32. J.F. Koch, J.D. Jensen, Phys. Rev., 134, 643, (1969).

33. S. Takaoka, H. Kawamura, K. Murase, S. Takano, Phys. Rev. B, 13, 1428, (1976).

34. S.Mase, J. Phys. Soc. Japan, 13, 434, (1958).

35. L.G. Ferreira, J. Phys. Chem. Solids, 28, 1891, (1967).

36. L.G. Ferreira, J. Phys. Chem. Solids, 29, 357, (1968).

37. G.E. Smith, G.A. Baraff, J.M. Rowell, Phys. Rev., 135, All 18, (1964).

38. S. Golin, Phys. Rev., 166, 643, (1968).

39. J.H. Xu, E.G. Wang, C.S. Ting, W.S. Su, Phys. Rev. B, 48, 17271, (1993).

40. Y. Liu, R.E. Allen, Phys. Rev. B, 52, 1566, (1995).

41. Л.А. Фальковский, Г.С. Разина, ЖЭТФ, 49, 265, (1965).

42. A.A Абрикосов, ЖЭТФ, 65, 2063, (1973).

43. Б.А. Волков, Л.А. Фальковский, ЖЭТФ, 85, 2135, (1983).

44. W.S. Boyle, K.F. Rodgers, Phys. Rev. Lett., 2, 338, (1959).

45. В. Lax, J.G. Mavroides, H.J. Zeiger, R.J. Keyes, Phys. Rev. Lett, 5, 241, (1960).

46. B. Lax, J.G. Mavroides, Advances in Solid-State Physics, edited by F. Seitz and D. Turnbull (Academic Press, New York), 9, 261, (1960).

47. M.H. Cohen, Phys. Rev, 121, 387, (1961).

48. С.Д. Бенеславский, Л.А. Фальковский, ФТТ, 16, 1360, (1974).

49. J.W. McClure, J. Low Temp. Phys, 25, 527, (1976).

50. J.W. McClure, K.H. Choi, Solid St. Commun, 21, 1015, (1977).

51. Л.А. Фальковский, УФН, 94, 1, (1968).

52. B.C. Эдельман, УФН, 123, 257, (1977).

53. Ю.Ф. Комник, Е.И. Бухштаб, Ю.В. Никитин, В.В. Андриевский, ЖЭТФ, 60, 669,(1971).

54. С.А. Hoffman, J.R. Meyer, F.J. Bartoli, A. Di Venere, X.J. Yi, C.L. Hou, H.C. Wang, J.B. Ketterson, G.K. Wong, Phys. Rev. B, 48, 11431, (1993).

55. B.C. Цой, И.И. Разгонов, Письма ЖЭТФ, 23, 107, (1975).

56. С. Jezequel, J. Tomas, I. Pollini, Phys. Rev. B, 56, 6620, (1997).

57. C.R. Ast, H. Hochst, Phys. Rev. Lett, 87, 177602, (2001).

58. C.R. Ast, H. Hochst, Phys. Rev. B, 66, 125103, (2002).

59. C.R. Ast, H. Hochst, Phys. Rev. Lett., 90, 016403, (2003).

60. L. Esaki, L.L. Chang, P.J. Stiles, D.F. O'kane, N. Wiser, Phys. Rev., 167, 637,(1968).

61. H.T. Chu, N.K. Eib, P.N. Henriksen, Phys. Rev. B, 12, 518, (1975).

62. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц, Квантовая механика, "Наука", (1989).

63. J. Bardeen, Phys. Rev. Lett., 6, 57, (1961).

64. J. Tersoff, D.R. Hamann, Phys. Rev. Lett., 50, 1998, (1983).

65. J. Tersoff, D.R. Hamann, Phys. Rev. B, 31, 805, (1985).

66. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Surf. Sci., 131, L379, (1983).

67. C.J. Chen, Phys. Rev. B, 42, 8841, (1990).

68. C.J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, (1993).

69. I. Giaever, Phys. Rev. Lett., 5, 147, (1960).

70. J.P. Pelz, Phys. Rev. B, 43, 6746, (1991).

71. R.M. Feenstra, J.A. Stroscio, A.P. Fein, Surf. Sci., 181, 295, (1987).

72. D.W. Pohl, IBM J. of Research and Development, 30, 417, (1986).

73. B.C. Эдельман, ПТЭ, 5, 25, (1989).

74. А.П. Володин, A.E. Панин, ПТЭ, 5, 190, (1989).

75. И.Н. Хлюстиков, B.C. Эдельман, ПТЭ, 1, 158, (1996).

76. B.C. Эдельман, ПТЭ, 4, 203, (1994).

77. V.S. Edelman, Phys. Lett., А 210, 105, (1996).

78. V.S. Edelman, D.Yu. Sharvin, I.N. Khlyustikov, A.M. Troyanovskii, Europhys. Lett, 34, 115, (1996).

79. А.Я. Преображенский, B.A. Степанов. ПТЭ, 4, 192, (1963).

80. B.H. Копылов, Л.П. Межов-Деглин. ПТЭ, 1, 260, (1971).

81. A.M. Трояновский, B.C. Эдельман, Письма ЖЭТФ, 57, 429, (1993).

82. A.M. Трояновский, B.C. Эдельман, Письма ЖЭТФ, 60, 104, (1994).

83. A.M. Трояновский, B.C. Эдельман, Письма ЖЭТФ, 60, 285, (1994).

84. A.M. Трояновский, B.C. Эдельман, ЖЭТФ, 115, 2214, (1999).

85. М.В. Классен-Неклюдова, "Механическое двойникование кристаллов", М., Наука, (1960).