Režimy spektroskopie

Spektroskopické metody jsou rozsáhlou částí STM a dají se provozovat v několika režimech. Ve všech variacích spektroskopie se využívá změna napětí v daném bodě a proměření tunelujícího proudu, mohou se však lišit posloupností skenování a měření. Většinou se používají jen malá napětí, aby se v experimentu neuplatňovaly i neelastické excitace.

Charakteristika I–V: Obdrží se měřením změn proudu, stojí-li hrot na jednom místě a mění-li se napětí přes určitý rozsah při konstantní vzdálenosti d. Po dobu měření musí být neaktivní zpětná vazba — odpojí se na pár milisekund bez vynulování integrátoru, pak se mění napětí v daném rozsahu, po skončení měření se V vrátí na původní hodnotu a opět se otevře zpětná vazba. Zádrž, která tyto operace zajišťuje, musí být dostatečně rychlá, musí umět přesně podržet napětí, navíc musí být přesně udržena poloha hrotu. Nejnáročnějším požadavkem je právě podržení správného napětí, protože zpětná vazba se zesílením např. 40 nm/V při změně o 0,1 mV se rozposune o 0,004 nm, což změní tunelovací proud o 8%. Z měření může být spočtena derivace (dI)/(dV), měření se zpravidla průměruje pro snížení šumu a dělí I/V, aby se zrušila závislost na stejnosměrné vodivosti. Omezení vzdáleností, při níž proud téměř vymizí, umožňuje měřit pouze v určitém rozmezí, proto se zpravidla rozšiřuje rozsah (pro nízká napětí) nastavováním vhodné vzdálenosti v době, kdy je aktivní zpětná vazba. Zde je ovšem nutné provést normalizaci, aby se ve výsledku odstranil vliv vzdálenosti.
Alternativou je použití střídavé modulace, čímž se synchronní detekcí přímo měří (dI)/(dV), je-li ovšem zvolena frekvence nad mezní frekvencí zpětné vazby. Metoda je ve své podstatě ekvivalentní rozdílu obrazů dvou topografií pro různá (blízká) napětí. Proměřování charakteristiky se provádí změnou V. Tato metoda má ovšem několik nevýhod, pramenících z nutnosti používat zpětnou vazbu a tím konstantní proud: jednak se mění vzdálenost d a tím s rostoucím napětím klesá rozlišení, jednak zde není konstantnístejnosměrná vodivost, což způsobuje divergenci derivace pro nulové napětí. Metoda navíc požaduje udržení konstantního proudu v celém rozsahu napětí, což může být nemožné v oblasti zakázaných pásů a dojde k poškození vzorku.
Charakteristika I–d: Ze závislosti I(d) pro konstantní napětí nebo d(V) pro konstantní proud lze odvodit φ jako efektivní výšku bariéry. Experimentálně lze pomocí modulace mezery a synchronní detekce změřit
-(dlnI)/(dd)=√φ+1/2√φ(dφ)/(dd),
ovšem φ je zde odlišné od výstupní práce, neboť je dáno středováním přes aktuální bariéru, výstupní práci je rovna jen pro nekonečně vzdálenou elektrodu. Získaný obraz je rovněž ovlivněn zobrazovacím potenciálem a topografií.
Podobnou metodou je měření s aktivní zpětnovazební smyčkou s konstantním proudem při měnění napětí. Zde se pak dorovnává vzdálenost d a měří se závislost d–V. Když přiložené napětí převýší výstupní práci, přechází se z tunelovacího režimu do emisního, což vede ke vzniku rezonancí v propustnosti bariéry při určitých energiích. To se projeví na měřeném spektru a je možno získat kvalitativní informace o tvaru bariéry. Kvantitativní informace lze získat jen obtížně. Metoda je citlivá i na chemickou modifikaci povrchu.
Spektroskopie s konstantním proudem (CCT): Tato metoda je nejjednodušší, ale velmi omezená jako spektroskopický nástroj. Principem je získání obrazu v režimu konstantního proudu, ale obrazů se sejme několik pro různá napětí. Nejčastějším použitím je sejmutí dvou obrazů pro obě polarity napětí.
Spektroskopie s proudovým obrazem (CITS): Jedná se o kombinaci spektroskopie a skenování. První metodou je měření celé I–V charakteristiky v každém bodě obrazu. Nejprve se vždy přiloží vhodné napětí, stabilizuje zpětná vazba, vazba se přeruší, proměří se závislost a přejde se do nového bodu. Pro rozumnou rychlost je zapotřebí mít co největší šířku pásma předzesilovače a malou kapacitu mezi hrotem a vzorkem. Druhou metodou je proměřování modulací při konstantním V, opět se synchronní detekcí a frekvencí nad schopnostmi zpětné vazby, měří se dI/dV. Nevýhodou této metody je obdržení hodnoty pouze pro jedno napětí (opakování při rozdílných napětích je problematické vzhledem k driftu) a pro jiné napětí topografie sleduje jiné kontury (stavů), což ovlivňuje boční rozlišení. Hlavní výhodou metod CITS je obdržení spektroskopické informace ze všech bodů téměř současně, čímž se eliminují teplotní drifty.

Energetické rozlišení STS je ovlivňováno několika faktory. Především zde existuje tepelný limit, který je dán „rozmazáním“ hrany Fermiho distribuce při nenulových teplotách, které je přibližně 2k_BT (pro pokojové teploty asi 0,05 eV). Rozmazání je dostatečně malé pro studium většiny vlastností běžných kovů, ale bude příliš velké pro studium např. supravodivosti. Dalším limitem je již uvedená kvantová neurčitost.