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Espectroscopia de efecto túnel de electrones inelásticos

Dibujo esquemático del sistema en investigación, con dos contactos metálicos (depósito izquierdo y derecho), una molécula en (nivel electrónico de puente) y un voltaje aplicado entre los dos contactos. Se supone el límite de banda ancha para ambos contactos.
Izquierda : Los electrones que viajan no tienen suficiente energía para excitar una vibración. Solo puede tener lugar el efecto túnel elástico.
Medio : Al aumentar el voltaje de polarización más allá de V = E / e (donde e es la carga electrónica), los electrones que viajan tienen suficiente energía para excitar una vibración con energía E. Puede tener lugar el efecto túnel inelástico.
Derecha : Los electrones que viajan también pueden excitar y posteriormente reabsorber una vibración, lo que conduce al efecto túnel elástico de segundo orden.

La espectroscopia de efecto túnel electrónico inelástico ( IETS ) es una herramienta experimental para estudiar las vibraciones de adsorbatos moleculares sobre óxidos metálicos . Produce espectros vibracionales de los adsorbatos con alta resolución (< 0,5 meV) y alta sensibilidad (se requieren < 10 13  moléculas para proporcionar un espectro). [1] Una ventaja adicional es el hecho de que también se pueden observar transiciones ópticamente prohibidas. [2] Dentro de IETS, una capa de óxido con moléculas adsorbidas sobre ella se coloca entre dos placas de metal. Se aplica un voltaje de polarización entre los dos contactos. Un diagrama de energía del dispositivo metal-óxido-metal bajo polarización se muestra en la figura superior. Los contactos metálicos se caracterizan por una densidad constante de estados , llena hasta la energía de Fermi . Se supone que los metales son iguales. Los adsorbatos están situados en el material de óxido. Están representados por un solo nivel electrónico de puente, que es la línea discontinua superior. Si el aislante es lo suficientemente delgado, existe una probabilidad finita de que el electrón incidente atraviese la barrera. Como la energía del electrón no se modifica con este proceso, se trata de un proceso elástico, como se muestra en la figura de la izquierda.

Algunos de los electrones que forman el efecto túnel pueden perder energía al excitar las vibraciones del óxido o del adsorbato. Estos procesos inelásticos conducen a una segunda trayectoria de tunelización, que aporta una contribución de corriente adicional a la corriente de tunelización. Dado que el electrón incidente debería tener suficiente energía para excitar esta vibración, existe una energía mínima que es el inicio de este proceso (inelástico). Esto se muestra en la figura del medio, donde la línea discontinua inferior es un estado vibrónico. Esta energía mínima para el electrón se corresponde con un voltaje de polarización mínimo, que es el inicio de la contribución adicional. La contribución inelástica a la corriente es pequeña en comparación con la corriente de tunelización elástica (~0,1 %) y se ve más claramente como un pico en la segunda derivada de la corriente al voltaje de polarización, como se puede ver en la figura inferior.

Sin embargo, también hay una corrección importante del componente elástico de la corriente de tunelización al inicio. Se trata de un efecto de segundo orden en el acoplamiento de vibración electrónica, en el que se emite y reabsorbe una vibración o viceversa. Esto se muestra en la figura superior a la derecha. Dependiendo de los parámetros energéticos del sistema, esta corrección puede ser negativa y puede superar la contribución positiva de la corriente inelástica, lo que da como resultado una caída en el espectro IETS. Esto se verifica experimentalmente tanto en IETS regulares [3] como en STM-IETS [4] y también se predice teóricamente [5] . No solo se pueden observar picos y caídas, sino que, dependiendo de los parámetros energéticos, también se pueden observar características similares a las derivadas, tanto experimentalmente [6] como teóricamente [7] .

STM-IETS

Un cambio de pendiente en la corriente frente al voltaje conduce a un paso en la primera derivada y a un pico en la segunda derivada de la corriente frente al voltaje.

Manteniendo la punta de un microscopio de efecto túnel de barrido (STM) en una posición fija sobre la superficie y barriendo el voltaje de polarización, se puede registrar una característica IV. Esta técnica se llama espectroscopia de efecto túnel de barrido (STS). La primera derivada proporciona información sobre la densidad local de estados (LDOS) del sustrato, suponiendo que la punta tiene una densidad de estados constante. La segunda derivada proporciona información sobre las vibraciones del adsorbato como en IETS, por lo que esta técnica se llama comúnmente STM-IETS. En este caso, el papel de la capa de óxido aislante lo desempeña el espacio entre la punta y el adsorbato.

El STM-IETS fue demostrado por primera vez por Stipe, Rezaei y Ho en 1998, diecisiete años después del desarrollo del STM. [8] Los requisitos de temperaturas criogénicas y estabilidad mecánica extrema (las vibraciones mecánicas de la punta sobre el adsorbato deben tener amplitudes en el rango de picómetros o menos) hacen que esta técnica sea experimentalmente difícil de realizar.

En los últimos años se han producido uniones de transporte molecular con una sola molécula entre dos electrodos, a veces con un electrodo de compuerta adicional cerca de la molécula. [9] [10] [11] La ventaja de este método en comparación con STM-IETS es que hay contacto entre ambos electrodos y el adsorbato, mientras que en STM-IETS siempre hay un espacio de tunelización entre la punta y el adsorbato. La desventaja de este método es que es experimentalmente muy difícil crear e identificar una unión con exactamente una molécula entre los electrodos.

La técnica STM-IETS se extendió a las excitaciones de espín de un átomo individual por Andreas J. Heinrich , JA Gupta, C. Lutz y Don Eigler en 2004, en IBM Almaden. [12] Específicamente, investigaron la transición entre estados de división Zeeman del átomo de Mn en varias superficies conductoras recubiertas con películas delgadas aislantes. La técnica se aplicó más tarde para investigar las transiciones de espín atómico de cadenas de espín de Mn de hasta 10 átomos, ensambladas una por una, también en IBM Almaden en 2006, en un equipo dirigido por Andreas J. Heinrich. [13] Los resultados mostraron que la cadena de espín de Mn era una realización del modelo unidimensional de Heisenberg para espines S=5/2. STM-IETS también se utilizó para medir las transiciones de espín atómico divididas por anisotropía magnética de iones individuales de átomos [14] [15] [16] y moléculas. [17] Varios autores han estudiado el mecanismo físico subyacente que permite que los electrones tunelados exciten las transiciones de espín atómico. [18] [19] [20] Mientras que el modo de operación más frecuente investiga las excitaciones de espín desde el estado fundamental a los estados excitados, también se informó la posibilidad de alejar al sistema del equilibrio y la transición de prueba entre estados excitados, así como la posibilidad de controlar la orientación de espín de átomos individuales con corrientes polarizadas de espín. [21] En el caso de estructuras de espín acopladas, la técnica proporciona información no solo sobre las energías de las excitaciones de espín, sino también sobre su propagación a través de la estructura, lo que hace posible obtener imágenes de los modos de onda de espín en cadenas de espín diseñadas a nanoescala. [22]

Referencias

  1. ^ Langan, J; Hansma, P (1975). "¿Se puede medir la concentración de especies superficiales con tunelización electrónica inelástica?☆". Surface Science . 52 (1): 211–216. Bibcode :1975SurSc..52..211L. doi :10.1016/0039-6028(75)90020-5.
  2. ^ KW Hipps y U. Mazur (2001) Espectroscopia de efecto túnel electrónico inelástico, Manual de espectroscopia vibracional , ISBN 978-0-471-98847-2 
  3. ^ Bayman, A.; Hansma, P.; Kaska, W. (1981). "Desplazamientos y depresiones en los espectros de efecto túnel de electrones inelásticos debido al entorno de unión túnel". Physical Review B . 24 (5): 2449. Bibcode :1981PhRvB..24.2449B. doi :10.1103/PhysRevB.24.2449.
  4. ^ Hahn, J.; Lee, H.; Ho, W. (2000). "Resonancia electrónica y simetría en el efecto túnel electrónico inelástico de una sola molécula". Physical Review Letters . 85 (9): 1914–7. Bibcode :2000PhRvL..85.1914H. doi :10.1103/PhysRevLett.85.1914. PMID  10970646.
  5. ^ Persson, B.; Baratoff, A. (1987). "Túnel electrónico inelástico desde una punta de metal: la contribución de los procesos resonantes". Physical Review Letters . 59 (3): 339–342. Bibcode :1987PhRvL..59..339P. doi :10.1103/PhysRevLett.59.339. PMID  10035735.
  6. ^ Wang, Wenyong; Lee, Takhee; Kretzschmar, Ilona; Reed, Mark A. (2004). "Espectroscopia de efecto túnel electrónico inelástico de una monocapa autoensamblada de alcanoditiol". Nano Letters . 4 (4): 643. Bibcode :2004NanoL...4..643W. doi :10.1021/nl049870v.
  7. ^ Mii, Takashi; Tikhodeev, Sergei; Ueba, Hiromu (2003). "Características espectrales del transporte inelástico de electrones a través de un estado localizado". Revisión Física B. 68 (20): 205406. Código bibliográfico : 2003PhRvB..68t5406M. doi : 10.1103/PhysRevB.68.205406.
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  11. ^ Liang, Wenjie; Shores, Matthew P.; Bockrath, Marc; Long, Jeffrey R.; Park, Hongkun (2002). "Resonancia Kondo en un transistor de molécula única". Nature . 417 (6890): 725–9. Bibcode :2002Natur.417..725L. doi :10.1038/nature00790. PMID  12066180.
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