Atomically resolved stm imaging using single crystalline tips with different orbital structures

Atomically resolved STM imaging using single crystalline tips with different orbital structures

Chaika A. N.1,2, Semenov V. N.1, Nazin S. S.1, Orlova N. N.1, Glebovsky V. G.1, Aristov V. Yu.1, Bozhko S. I.1, Lьbben O.2, Krasnikov S. A.2, Murphy B. E.2, Radican K.2, Shvets I. V.2, Grushko V.3, Chepugov A.3, Novikov N.3, Mitskevich E.3, Lysenko O.3

1Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow District, Russia

2CRANN, School of Physics, Trinity College Dublin, Ireland

3V. Bakul Institute for Superhard Materials, Kiev, 04074, Ukraine

*****@***ac. ru

The role of the tip orbital structure in high resolution scanning tunnelling microscopy (STM) imaging was theoretically studied since the invention of STM [1-3]. Recently, it has been demonstrated that high quality single crystalline probes with well-defined apex orientation can be used to control the contribution of certain tip orbitals in STM experiments [4]. That was confirmed by direct STM visualization of d-orbitals of the W[001] tip atom using carbon atomic orbitals in distance-dependent STM experiments on a graphite (0001) surface. DFT calculations of both the fully relaxed and constrained W[001] tip – graphite(0001) systems revealed that the appearance and transformation of the sub-atomic features observed at small tip-sample distances are related to a substantial modification of the orbital structure of the front W[001] tip atom due to a strong tip-surface interaction.

In this report we present experimental data obtained with [111]-oriented single crystalline tungsten and diamond probes on graphite (0001) and graphene/SiC(001) surfaces. The comparison of experimental data obtained on the same surfaces using different tips shows that spatial resolution can be enhanced using [111]-oriented tungsten and diamond probes. In particular, the results of STM experiments with a heavily boron-doped, diamond probe on a graphite surface and density functional theory calculations of the tip and surface electronic structure demonstrate that high spatial resolution can be achieved with diamond tips at tip-sample distances of 3-5 Е when p orbitals of the tip provide their maximum contribution to the tunneling current. At these distances the surface atomic and electronic structure is not substantially modified by the tip-sample interaction that allows imaging true surface electronic structure with slightly non-equivalent б and в atoms of the graphite lattice [5]. STM experiments with W[111] tips on the nanostructured graphene synthesized on cubic-SiC(001) surface [6,7] demonstrate the possibility to reach picometer lateral resolution without tip orbital structure effects on a subatomic scale on very rough surfaces with complicated atomic structure. This allows direct experimental visualization of the random picoscale distortions of the carbon bond lengths in the graphene lattice.

1. J. Tersoff and D. R. Hamann. Theory and application for the scanning tunneling microscope. Phys. Rev. Lett., 1983, 50, 1998-2001.

2. C. J. Chen. Effects of m≠0 tip states in scanning tunneling microscopy: The explanation of corrugation reversal. Phys. Rev. Lett., 1992, 69, 1656-1659.

3. W. Sacks. Tip orbitals and the atomic corrugation of metal surfaces in scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. B, 2000, 61, 7656-7668.

4. A. N. Chaika, S. S. Nazin, V. N. Semenov, S. I. Bozhko, O. Lьbben, S. A. Krasnikov, K. Radican, and I. V. Shvets. Selecting the tip electron orbital for scanning tunneling microscopy imaging with sub-еngstrцm lateral resolution. EPL, 2010, 92, 46003.

5. V. Grushko, O. Lьbben, A. N. Chaika, N. Novikov, E. Mitskevich, A. Chepugov, O. Lysenko, B. E. Murphy, S. A. Krasnikov, and I. V. Shvets. Atomically resolved STM imaging with a diamond tip: simulation and experiment. Nanotechnology, 2014, 25, 025706.

6. A. N. Chaika, O. V. Molodtsova, A. A. Zakharov, D. Marchenko, J. Sanchez-Barriga, A. Varykhalov, I. V. Shvets, and V. Yu. Aristov. Continuous wafer-scale graphene on cubic-SiC(001). Nano Res., 2013, 6, 562-570.

7. A. N. Chaika, O. V. Molodtsova, A. A. Zakharov, D. Marchenko, J. Sбnchez-Barriga, A. Varykhalov, S. V. Babenkov, M. Portail, M. Zielinski, B. E. Murphy, S. A. Krasnikov, O. Lьbben, I. V. Shvets, and V. Yu. Aristov. Rotated domain network in graphene on cubic-SiC(001). Nanotechnology, 2014, 25, 135605.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИГЛ С РАЗЛИЧНОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ В СТМ-ЭКСПЕРИМЕНТАХ С АТОМНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, Lьbben O.2, Krasnikov S. A.2, Murphy B. E.2, Radican K.2, Shvets I. V.2, Grushko V.3, Chepugov A.3, Novikov N.3, Mitskevich E.3, Lysenko O.3

1Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Россия

2CRANN, School of Physics, Trinity College Dublin, Ireland

3V. Bakul Institute for Superhard Materials, Kiev, 04074, Ukraine

*****@***ac. ru

Роль орбитальной структуры острия зонда в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) высокого разрешения исследовалась теоретически с момента изобретения СТМ [1-3]. Как было показано недавно [4], использование высококачественных монокристаллических игл с известной ориентацией острия позволяет контролировать относительный вклад различных орбиталей иглы в туннельный ток и модификацию электронной структуры острия при его взаимодействии с поверхностью образца. В докладе представлены экспериментальные результаты, полученные монокристаллическими вольфрамовыми и алмазными зондами с ориентацией острия вдоль кристаллографических направлений [001] и [111]. СТМ-эксперименты, выполненные на поверхности графита и наноструктурированного графена на поверхности кубического карбида кремния, показывают преимущества зондов с ориентацией острия вдоль направления [111]. В частности, демонстрируется, что алмазные зонды с доминированием p-орбиталей на острие позволяют получить карты плотности электронных состояний поверхности графита (0001) при достаточно больших величинах туннельного промежутка, когда взаимодействие игла-образец незначительно [5]. СТМ-исследования системы графен/SiC(001) [6,7] показывают возможность достижения пикометрового латерального разрешения при использовании зондов W[111] даже на поверхностях со сложной атомной и электронной структурой.