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Rastertunnel- |
Tunnelspektroskopie
Spektroskopie bedeutet, die energieabhängige Änderung einer physikalischen Größe zu beobachten. Bei der Tunnelspektroskopie ist diese Energie die von Elektronen aufzunehmende Energie U e- zwischen den Tunnelkontakten, wobei U = V2 - V1 die Potentialdifferenz der Elektroden ist. Der Spektroskopiebereich ist natürlicherweise durch die Austrittsarbeit φ der beiden Metalle begrenzt, denn oberhalb von φ können Elektronen die Oberfläche auf klassischem Weg verlassen. Da φ für Metalle im Bereich einiger eV liegt, kann Spektroskopie theoretisch im Spannungsbereich von mehreren Volt betrieben werden. |
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Zustandsdichtefunktionen. Abbildung a) zeigt eine bezüglich der Energiedispersion konstante Zustandsdichte wie im Falle des Mottschen Gesetzes angenommen, Abbildung b) zeigt eine DOS mit parabolischem Verlauf.
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Wird der Tunnelstrom zwischen zwei durch Vakuum getrennte Metallkontakte in Abhängigkeit von der Tunnelspannung gemessen, ergibt sich ein linearer Zusammenhang nach dem Ohmschen Gesetz:
Das Tunnelspektrum wird komplizierter, wenn die Bandstruktur des untersuchten Festkörpers (des Substrates und/oder des Sondenmaterials) Lücken aufweist. Fällt die Fermienergie in eine Bandlücke ΔE = 2ε (etwa bei Halbleitern), so muß eine Energie ε = U e- aufgebracht werden, um Elektronen zum Tunneln anzuregen. Für den Fall T = 0K bedeutet dies, daß bei einer Tunnelspannung U < ε e- kein Strom fließt. Oberhalb dieser Grenze steigt der Tunnelstrom auf den durch Gleichung (2) gegebenen Wert sprunghaft an und verläuft danach linear. Die ortsaufgelöste Tunnelspektroskopie mit einem STM liefert daher Informationen über die lokale Zustandsdichte (LDOS) N(ε) eines Leiters oder Halbleiters.
Erhöht man die Tunnelspannung, so geht der lineare I/U-Verlauf schließlich in einen exponentiell ansteigenden Ast über, der auf Feldemission zurückzuführen ist. |
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