Добавлен: 06.02.2019
Просмотров: 14807
Скачиваний: 9
6
практическое значение, для которых именно использование разработанных автором
подходов к локальному картированию свойств материала позволило не только объяс-
нить особенности их деградационного поведения при анодной поляризации, но и осу-
ществить направленное изменение свойств электродного материала с целью повыше-
ния его коррозионной устойчивости. В той же главе представлены результаты исследо-
ваний близкой по составу системы с иным характерным размером неоднородности, для
которых анализ туннельно-спектроскопических откликов также внес существенный
вклад в понимание их структуры и свойств. В главе 4 рассмотрены результаты иссле-
дования свойств наноструктурированных электроосажденных металлических материа-
лов. Для них наиболее сильно проявляются искажения топографической информации,
связанные с низкой локальностью переноса электрона в ex situ условиях. И, наконец, в
главе 5 представлены результаты исследования свойств перезаряжаемых материалов
различных типов (электроосажденных электропроводящих полимеров, неорганических
электрохромных материалов и протонных проводников), для которых спектроскопиче-
ские режимы также позволяют получить дополнительную информацию о структуре и
свойствах материала.
7
Список основных обозначений
2
3
4
t
em k
A
h
π
=
— постоянная Ричардсона
d — толщина барьера
d
exp
, d
real
— «кажущийся» и «реальный» диаметры наночастицы на поверхности
E
F
— энергия уровня Ферми
m
U
U
E
d
H
=
=
— напряженность электрического поля
E
tip
,
E
sample
— электродные потенциалы зонда и образца
e — заряд электрона
F —число Фарадея
F
E
— электростатическая сила в зазоре
f
s
,
f
t
— функции распределения Ферми для образца и зонда
G — туннельная проводимость
G
0
=2
e
2
/
h — фундаментальная дискретность проводимости
H — расстояние между электродами, эффективное расстояние туннелирования
H
0
— среднее расстояние между зондом и образцом
H
1
— амплитуда колебаний зонда
H
b
— «базовое» значение расстояния зонд/образец (отвечающее
I
b
и
U
b
)
h,
/ 2
h
=
π
— постоянная Планка
h
exp
,
h
real
— «кажущаяся» и «реальная» высота наночастицы на поверхности
I — ток, туннельный ток
I
b
— «базовое» значение туннельного тока (заданное в настройках петли обратной свя-
зи микроскопа)
I
D
— ток перезарядки емкости туннельного зазора
k — постоянная Больцмана
L
eff
— эффективный диаметр электронного пучка
m — масса электрона
m
t
— – эффективная масса электрона в полупроводнике
n
0
— количество избыточных электронов на частице в зазоре
n
i
, p
i
— концентрация носителей (электронов и дырок, соответственно) в полупровод-
нике
N
D
— число носителей заряда в полупроводнике
8
q — заряд носителя тока
Q
0
— избыточный дробный заряд на частице в зазоре
R — электрическое сопротивление (туннельного зазора и т.п.)
r — радиус кривизны острия зонда
r
eff
— «эффективный» радиус кривизны острия зонда
С — электрическая емкость (туннельного зазора и т.д)
S
H
,
S
O
,
S
Cu
— удельные (истинные) поверхности платиновых металлов, определенные
по адсорбции водорода, кислорода и адатомов меди, соответственно
T — абсолютная температура
U, U
0
, U
tun
— разность потенциалов между электродами, туннельное напряжение
U
b
— «базовое» значение туннельного напряжения (заданное в настройках петли об-
ратной связи микроскопа)
U
D
— поверхностный потенциал полупроводника
U
D0 —
поверхностный потенциал полупроводника при нулевом напряжении
U
mod
— среднеквадратичная амплитуда переменного сигнала, используемого для моду-
ляции туннельного напряжения
U
sp
— падение напряжения в объеме материала за счет сопротивления растекания
U
surf
— разность поверхностных (контактных) потенциалов образца и зонда
W — толщина обедненного (запирающего) слоя
W
0
–толщина обедненного (запирающего) слоя при нулевом напряжении
W
I
— собственная характеристическая полуширина пика
ξ и γ — модельные параметры, определяющие зависимость эффективного потенциала
в точке, отвечающей положению молекулы, от перенапряжения и туннельного
напряжения, соответственно ( 0
1
≤ ξ ≤ и 0
1
≤ γ ≤ )
ε
0
— диэлектрическая проницаемость вакуума
ε
s
,
ε
i
— статические диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрика
φ — эффективная высота туннельного барьера
b
φ — высота барьера Шоттки при нулевом напряжении
1
∆φ ,
2
∆φ — контактные разности потенциалов для соответствующих пар металлов
1/
2m
κ =
⋅
φ
— коэффициент затухания туннельного тока с расстоянием
ы
— трансмиссионный коэффициент
λ — энергия реорганизации растворителя (среды)
μ
e
, μ
h
— подвижности электронов и дырок, соответственно
ν — частота
9
0
sample
E
E
η=
−
— перенапряжение
η
d
— фактор идеальности туннельного диода
π — число π
ρ
t
,
ρ
s
— плотности электронных состояний зонда и образца
ϕ
t
,
ϕ
s
— работа выхода электрона для зонда и образца
2
ω= πν — циклическая частота колебаний
ω
n
— характеристическая частота ядерных колебаний
10
Глава 1. Сканирующая туннельная микроскопия. Спектроскопиче-
ские подходы, реализуемые в различных конфигурациях
1.1. Истинный туннельный перенос электрона
(высоковакуумная и криогенная конфигурации)
В основе метода «классической» сканирующей туннельной микроскопии лежит
процесс туннельного переноса электрона через узкий потенциальный барьер, форми-
рующийся при сближении в вакууме заостренного зонда туннельного микроскопа и по-
верхности образца. В этих условиях, туннельный ток убывает с расстоянием экспонен-
циально (изменение на несколько ангстрем приводит к снижению тока на порядок) [3].
Поэтому, даже в случае несовершенства зонда, большая часть тока переносится через
единственный концевой атом (рис. 1), а в некоторых случаях, через единичную харак-
теристическую орбиталь данного атома. Высокая локальность взаимодействия (счита-
ется, что диаметр электронного пучка не превышает нескольких ангстрем) и обеспечи-
вает возможность достижения атомарного и субатомарного разрешения в методе СТМ.
Рис. 1. Основные принципы СТМ [4].
На момент создания метода теоретическое описание процесса туннельного пере-
носа в такой конфигурации, конечно, отсутствовало. Поэтому, при создании туннель-
ного микроскопа Бинниг и Рорер базировались на соотношениях, полученных для тун-
нельного переноса в гетероструктурах металл/изолятор (оксид)/металл (MIM) [3, 4].
При малых напряжениях (eU<<φ) туннельный ток между двумя металлическими элек-
тродами, разделенными непроводящим слоем, при невысоких температурах (когда
можно пренебречь термоэмиссией электронов) описывается соотношением [5]: