Введение к работе
Актуальность проблемы. Туннельные электронные переходы лежат в основе многих гетерогенных процессов. Перезарядка атомных частиц, взаимодействующих с поверхностью твердого тела (ПТТ), автоэмиссия электронов заряженными остриями, содержащими адсорбированные частицы, полевая ионизация и полевая десорбция, электронные токи в туннельных контактах типа сканирующего туннельного микроскопа, - эти, а также многие другие процессы, элементарные акты которых состоят в туннельных переходах электронов между поверхностью и атомной частицей, интенсивно изучаются в течение многих лет. Эти работы, теоретические и экспериментальные, стимулируются и поисками решений разнообразных прикладных задач, стоящих перед химией гетерогенного катали їй, плазмохимией, материаловедением, микро-(и нано-) электроникой, и поисками новых спектроскопических методов исследования поверхности твердого тела, и поисками решений некоторых общих фундаментальных вопросов теории туннелнровання.
Основу современных представлений теории туннелнрования составляет понятие безразмерного "фактора проницаемости", Р. Расчеты этой величины относятся к числу центральных задач теории туннельных переходов. Несмотря на значительное число работ, посвященных этой проблеме, здесь все еще остается много нерешенных вопросов. Вопросы эти связаны с необходимостью корректного описания эффектов подбарьерпого рассеяния туннелирующих частиц (упругого и неупругого), многочастичных переходов, переходов в зависящих от времени полях и др. Эти эффекты могут проявляться в самых различных системах. В том числе в поверхостных комплексах.
Поверхностные комплексы (ПК), как хорошо известно, образуются при достаточно сильном взаимодействии атомных частиц с ПТТ. 'Это имеет место при химической адсорбции и при сближении частиц газовой фазы с поверхностью на расстояния - < ') — о А. Строением и свойствами ПК определяется динамика всех основных поверхностных химических процессов - адсорбции, десорбции, поверхностной миграции, различ-
пых превращений н реакций. Восстановление параметров ПК, в том числе электронно- и колебательно- возбужденных, относятся к числу наиболее актуальных задач современных химии » физики поверхности. Сложность поверхностных взаимодействий, необходимость учета корреляционных эффектов в сильно неоднородных системах, к числу которых относится и ПТТ, не позволяют надеяться на решение стоящих здесь задач только расчетными методами. Необходимы качественно новые эксперименты, новые спектроскопические методы (прежде всего, пучковые и сканирующие туннельные), способные дать информацию о строении поверхностных комплексов без усреднений по кинематическим характеристикам частиц и, но возможности, без усреднения по положениям комплексов на исследуемых поверхностях.
Два таких метода, "спектроскопия низкоэнергетических особенностей токов отраженных ионов" и "сканирующая туннельная колебательная спектроскопия", были недавно предложены и апробированы в ИХФ РАН. В основе этих методов лежат особенности резонансных туннельных электронных переходов вблизи ПТТ, обусловленные зависимостью направления и скорости электронного туннелирования от взаимного расположения энергетических уровней в комплексе. В настоящей диссертации суммируются и систематизируются результаты, полученные нами при решении вопросов, возникших при создании теоретических основ указанных методов.
Цель работы состояла в построении обобщенных моделей туннельных электронных переходов в многоканальных многоцентровых системах. Такие модели необходимы для описання пороговых и резонансных особенностей процессов автоэмисснц, токов сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), токов медленных положительных ионов, рассеянных ПТТ. Исследования предусматривали :
адаптацию методов теории рассеяния к задачам теории туннелирования;
анализ новых эффектов, обусловленных
коллективизацией резонансных электронных состояний,
обменом энергией между электроном и колебательными степенями свободы центров резонансного взаимодействия,
- конкуренцией различных каналов туннелироваиия;
оптимизацию условий экспериментов, планировавшихся с целью обнаружения новых эффектов, предсказанных теорией;
интерпретацию результатов пучковых экспериментов и экспериментов с СТМ, в которых изучались новые пороговые и резонансные особенности токов медленных ионов, рассеянных ПТТ, и туннельных токов наноконтактов;
теоретический анализ спектроскопических возможностей метода ионного пучка и метода сканирующей туннельной колебательной спектроскопии.
Научная новизна.
Впервые:
установлено, что для любого одномерного потенциального барьера точное значение фактора проницаемости может быть выражено через матричные элементы по волновым функциям, описывающим отражение частиц от противоположных склонов;
выведена обобщенная формула Брейта-Вигнера, определяющая матрицу амплитуд многоканального резонансного туннелироваиия в многоцентровых системах, описывающая эффекты
многоцентрового резонансного просветления потенциальных барьеров,
многоквантовых колебательных переходов при резонансном туннелировании,
спин-зависимого резонансного туннелироваиия,
- упругого и неупругого туннелирования через кол
лективизированные состояния;
получено дисперсионное уравнение для спектра полевых резонансов квазипланарных туннельных контактов, позволившее установить пределы применимости ID - моделей и интерпретировать большую совокупность результатов, полученных в экспериментах с СТМ, использующим "затупленные" острия;
рассмотрены эффекты, обусловленные взаимодействием полевых резонансов с колебательными степенями свободы поверхностных атомов, определены оптимальные условия наблюдения с помощью СТМ колебательных переходов адсорбированных частиц;
интерпретированы результаты экспериментов с СТМ, в которых были измерены колебательные спектры одиночных молекул, адсорбированных на оксиде титана и окисленном алюминии;
построена модель многоканальной нейтрализации медленных ионов вблизи поверхности чистых металлов, позволившая
- интерпретировать результаты экспериментов по от
ражению ионов Ar+, Nt, СО+, COt от поверхности
Pt.(lOO) и поликристаллических Ft и Си;
предсказать существование новых типов особенностей энергетических зависимостей токов отраженных ионов, выделив те особенности, положение и форма которых зависят от параметров электронно-возбужденных столкновительных комплексов;
предсказать существование пороговых изломов на угловых зависимостях токов отраженных ионов, интерпретировать результаты поисковых экспериментов, в которых эти особенности были обнаружены.
Практическая значимость. Полученные результаты использованы при создании теоретических основ двух новых
методов исследования строения и свойств гетерогенных комплексов - "спектроскопии низкоэнергетических особенностей токов отраженных ионов" и "сканирующей туннельной колебательной спектроскопии".
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, были доложены на XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев, 1987, Ленинград, 1991), XI Международном семинаре по физике поверхности (ПНР, Пеховине, 1987), II Международной конференции по физике наноструктур (Москва, 1993), Европейской конференции по физике поверхности (Лейпциг, 1994), на VII Всероссийской школе-симпозиуме по химической физике (Туапсе, 1995), на 43 Международном симпозиуме по автоэмиссии (Москва, 1996), на Всероссийских рабочих совещаниях "Зондовая микроскопия-97" и "Зондовая микроскопия-98" (Нижний Новгород, 1997 и 1998), на Международной конференции СТМ'97 (Гамбург, 1997), на Научной конференции Института химической физики РАН (Москва, 1998).
Публикации. По результатам, включенным в диссертацию, опубликовано 14 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 150 страниц, 37 рисунков.