طیف سنجی تونل زنی الکترون نا کشسان

طیف‌سنجی تونل زنی الکترون غیرالاستیک ( IETS ) یک ابزار تجربی برای مطالعه ارتعاشات جذب‌شده مولکولی روی اکسیدهای فلزی است. طیف‌های ارتعاشی جذب‌کننده‌ها با وضوح بالا (< 0.5 میلی الکترون ولت) و حساسیت بالا (<13  10 مولکول برای ارائه یک طیف مورد نیاز هستند).  یک مزیت اضافی این واقعیت است که انتقال‌های ممنوعه نوری نیز ممکن است مشاهده شوند.  در داخل IETS، یک لایه اکسید با مولکول های جذب شده روی آن بین دو صفحه فلزی قرار می گیرد. یک ولتاژ بایاس بین دو کنتاکت اعمال می شود. نمودار انرژی دستگاه فلز-اکسید-فلز تحت بایاس در شکل بالا نشان داده شده است. کنتاکت های فلزی با چگالی ثابت حالت ها مشخص می شوند که تا انرژی فرمی پر شده اند. فلزات برابر فرض می شوند. مواد جذب شده روی مواد اکسیدی قرار دارند. آنها با یک پل الکترونیکی تک پل نشان داده می شوند که خط چین بالایی است. اگر عایق به اندازه کافی نازک باشد، احتمال کمی وجود دارد که الکترون فرودی از سد عبور کند. از آنجایی که انرژی الکترون توسط این فرآیند تغییر نمی کند، این یک فرآیند الاستیک است. این در شکل سمت چپ نشان داده شده است.

برخی از الکترون های تونل زنی می توانند با ارتعاشات برانگیخته اکسید یا جذب، انرژی خود را از دست بدهند. این فرآیندهای غیر کشسان منجر به یک مسیر تونل زنی دوم می شود که سهم جریان اضافی را به جریان تونل می دهد. از آنجایی که الکترون فرودی باید انرژی کافی برای برانگیختن این ارتعاش را داشته باشد، حداقل انرژی وجود دارد که شروع این فرآیند (غیر الاستیک) است. این در شکل وسط نشان داده شده است، جایی که خط چین پایین یک حالت ویبرونیک است. این حداقل انرژی برای الکترون با حداقل ولتاژ بایاس مطابقت دارد که شروع سهم اضافی است. سهم غیر کشسان جریان در مقایسه با جریان تونل زنی الاستیک (~0.1٪) کم است و همانطور که در شکل پایین مشاهده می شود به وضوح به عنوان یک اوج در مشتق دوم جریان به ولتاژ بایاس دیده می شود.

با این حال، اصلاح مهمی در مولفه الاستیک جریان تونل در آغاز وجود دارد. این یک اثر مرتبه دوم در جفت شدن ارتعاش الکترون است، جایی که یک ارتعاش ساطع می شود و دوباره جذب می شود یا برعکس. این در شکل بالای سمت راست نشان داده شده است. بسته به پارامترهای انرژی سیستم، این تصحیح ممکن است منفی باشد و ممکن است از سهم مثبت جریان غیرکشسانی بیشتر باشد و در نتیجه طیف IETS کاهش یابد. این به طور تجربی در هر دو IETS معمولی  و در STM-IETS  تأیید شده است و همچنین به صورت تئوری پیش‌بینی می‌شود.  نه تنها اوج ها و شیب ها ممکن است مشاهده شوند، بلکه بسته به پارامترهای انرژی، ویژگی های مشتق مانند نیز ممکن است، هم به صورت تجربی و  از لحاظ نظری، مشاهده شوند. 

STM-IETS

با نگه داشتن نوک یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) در موقعیت ثابت روی سطح و جاروب کردن ولتاژ بایاس، می توان یک مشخصه I-V را ثبت کرد. این تکنیک طیف سنجی تونل زنی روبشی (STS) نامیده می شود. مشتق اول اطلاعاتی در مورد چگالی محلی حالات (LDOS) زیرلایه می دهد، با این فرض که نقطه اوج دارای چگالی ثابتی از حالات است. مشتق دوم مانند IETS اطلاعاتی در مورد ارتعاشات جذب می دهد، به همین دلیل است که این تکنیک معمولا STM-IETS نامیده می شود. در این مورد نقش لایه اکسید عایق توسط شکاف بین نقطه اوج و ماده جاذب ایفا می شود.

STM-IETS برای اولین بار توسط Stipe، Rezaei و Ho در سال 1998، هفده سال پس از توسعه STM، به نمایش گذاشته شد.  الزامات دماهای برودتی و پایداری مکانیکی شدید (ارتعاشات مکانیکی نقطه اوج روی ماده جاذب باید دامنه‌ای در محدوده پیکومتر یا کمتر داشته باشد) تحقق این تکنیک را از نظر تجربی چالش‌برانگیز می‌سازد.

در سال های اخیر اتصالات انتقال مولکولی با  یک مولکول بین دو الکترود، گاهی اوقات با یک درگاه الکترود اضافی در نزدیکی مولکول تولید شده است.    مزیت این روش در مقایسه با STM-IETS این است که بین هر دو الکترود و ماده جاذب تماس وجود دارد، در حالی که در STM-IETS همیشه یک شکاف تونلی بین نقطه اوج و جاذب وجود دارد. نقطه ضعف این روش این است که از نظر تجربی ایجاد و شناسایی یک اتصال دقیقاً با یک مولکول بین الکترودها بسیار چالش برانگیز است.

تکنیک STM-IETS توسط Andreas J. Heinrich ، JA Gupta، C. Lutz و Don Eigler در سال 2004 در IBM Almaden به برانگیختگی‌های اسپین یک اتم منفرد تعمیم داده شد.  به طور خاص، آنها انتقال بین حالت‌های تقسیم زیمن اتم منگنز را بر روی سطوح مختلف رسانای سطوح پوشیده شده با لایه‌های نازک عایق بررسی کردند. این تکنیک بعداً برای بررسی انتقال اسپین اتمی زنجیره‌های اسپین منگنز تا 10 اتم، که یکی یکی مونتاژ شده‌اند، نیز در IBM Almaden در سال 2006 در تیمی به سرپرستی آندریاس جی. هاینریش به کار گرفته شد.  نتایج نشان داد که زنجیره اسپین منگنز تحقق مدل تک بعدی هایزنبرگ برای اسپین های S=5/2 است. STM-IETS همچنین برای اندازه گیری انتقال اسپین اتمی تقسیم شده توسط ناهمسانگردی مغناطیسی تک یونی تک تک اتم ها    و مولکول ها استفاده شد.  مکانیسم فیزیکی زیربنایی که به الکترون های تونل زنی اجازه می دهد تا انتقال اسپین اتمی را تحریک کنند، توسط چندین نویسنده مورد مطالعه قرار گرفته است.    در حالی که متداول ترین حالت کار پروب ها تحریکات را از حالت پایه به حالت های برانگیخته می چرخانند، امکان دور کردن سیستم از تعادل و انتقال کاوشگر بین حالت های برانگیخته و همچنین امکان کنترل جهت گیری اسپین اتم های منفرد با اسپین قطبی شده وجود دارد. جریان نیز گزارش شده است.  در مورد ساختارهای اسپین جفت شده، این تکنیک نه تنها اطلاعاتی در مورد تحریکات اسپین انرژی ها ارائه می‌دهد، بلکه همچنین در مورد گسترش آنها در سراسر ساختار ارائه می دهد، که امکان تصویربرداری از حالت های موج اسپین در زنجیره های اسپین مهندسی شده نانو را فراهم می کند.

منابع 

مقاله‌های ایجاد شده توسط ایجادگر
فنون علمی