La espectroscopia de túnel de electrones inelásticos ( 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, se coloca una capa de óxido con moléculas adsorbidas entre dos placas de metal. Un voltaje de polarizaciónse aplica entre los dos contactos. En la figura superior se muestra un diagrama de energía del dispositivo de metal-óxido-metal bajo polarización. Los contactos metálicos se caracterizan por una densidad constante de estados , llenos hasta la energía de Fermi . Se supone que los metales son iguales. Los adsorbatos están situados sobre el material de óxido. Están representados por un solo nivel electrónico de puente, que es la línea punteada superior. Si el aislante es lo suficientemente delgado, existe una probabilidad finita de que el electrón incidente atraviese la barrera. Dado que la energía del electrón no cambia por este proceso, es un proceso elástico. Esto se muestra en la figura de la izquierda.
Algunos de los electrones tunelizados pueden perder energía al excitar las vibraciones del óxido o del adsorbato. Estos procesos inelásticos conducen a una segunda ruta de tunelización, que proporciona una contribución de corriente adicional a la corriente de tunelización. Dado que el electrón incidente debe 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 punteada 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 túnel elástica (~ 0,1%) y se ve más claramente como un pico en la segunda derivada de la corriente a la tensión de polarización, como se puede ver en la figura inferior.
Sin embargo, también existe una corrección importante del componente elástico de la corriente de túnel al inicio. Este es un efecto de segundo orden en el acoplamiento electrón-vibración, donde 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, dando 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 de tipo derivado, tanto experimentalmente [6] como teóricamente. [7]
STM-IETS
Manteniendo la punta de un microscopio de efecto túnel (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 túnel de barrido (STS). La primera derivada proporciona información sobre la densidad local de estados (LDOS) del sustrato, asumiendo 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 denomina comúnmente STM-IETS. En este caso, el papel de la capa de óxido aislante lo desempeña el espacio entre la punta y el adsorbato.
Stipe, Rezaei y Ho demostraron por primera vez STM-IETS 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 los picómetros o menos) hacen que esta técnica sea experimentalmente desafiante 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 puerta 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 efecto túnel entre la punta y el adsorbato. La desventaja de este método es que experimentalmente es 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, probaron la transición entre los estados divididos de Zeeman del átomo de Mn en varias superficies que conducen superficies recubiertas con películas delgadas aislantes. La técnica se aplicó posteriormente para sondear las transiciones de espín atómico de cadenas de espín de manganeso de hasta 10 átomos, ensambladas uno por uno, 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 S = 5/2 espines. 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 individuales. [17] Varios autores han estudiado el mecanismo físico subyacente que permite que los electrones en túnel exciten las transiciones de espín atómico. [18] [19] [20] Mientras que el modo de operación más frecuente sondas sondas que hacen girar las excitaciones desde el estado fundamental a estados excitados, la posibilidad de alejar al sistema del equilibrio y la transición de la sonda entre estados excitados, así como la posibilidad de controlar También se informó 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 excitaciones de espín de las energías, sino también sobre su dispersión a lo largo de la estructura, lo que permite obtener imágenes de los modos de onda de espín en cadenas de espín creadas por nanoingeniería. [22]
Referencias
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