Rev. Phys. Appl. (Paris) 11, 321-325 (1976)
DOI: 10.1051/rphysap:01976001102032100

Second and third derivative of a tunnel junction characteristic application to the observation of electronic excitations

J. Klein, A. Léger, B. Delmas et S. De Cheveigne

Groupe de Physique des Solides de l'Ecole Normale Supérieure , Tour 23, 2, place Jussieu, 75221 Paris, Cedex 05, France

Abstract
Tunneling spectroscopy at high bias has proved to be useful as a tool for studying electronic excitations in junctions although one major difficulty encountered is the huge background in the second derivative of the tunneling characteristics I(V). This background however depends on which second derivative is used. We compare the sensitivity of the functions d 2V/dI2, d2I/dV 2 and 1/σ.dσ/dV to inelastic phenomena and conclude that the last one is rather better adapted. We describe a system for obtaining this function at the output of a lock-in detector. The use of higher derivatives to show up very weak, but rather abrupt, peaks in thé curves is discussed and we propose a circuit to plot a third derivative characteristic of tunnel junctions. In order to illustrate the possibilities of this equipment, we re-examine a situation where a peak due to an inelastic phenomenon was expected but not yet observed because of a large base-line and where the use of the third derivative technique enabled us to see it very distinctly.

Résumé
La spectroscopie par effet tunnel dans le domaine des fortes polarisations est un outil intéressant pour l'étude des excitations électroniques dans les jonctions. Mais les courbes d'effet tunnel présentent alors des fonds continus très importants et cela constitue une des difficultés essentielles de ces études. Toutefois ce fond continu dépend beaucoup de la dérivée seconde qui est utilisée. Nous comparons les aptitudes des fonctions d2V/dI2, d 2I/dV2 et 1/σ.dσ/dV quant à la détection d'un phénomène d'effet tunnel inélastique et concluons que la dernière est la mieux adaptée. Nous décrivons un montage qui permet d'obtenir cette fonction directement à la sortie d'une détection synchrone. Nous discutons ensuite la possibilité d'utiliser des dérivées d'ordre supérieur pour faire ressortir des structures très petites mais à variation relativement rapide et proposons un montage pour tracer une caractéristique de dérivée troisième de jonction tunnel. Pour illustrer les possibilités de cette méthode, nous nous intéressons à un cas où un pic d'effet tunnel inélastique attendu n'avait pas pu être observé jusqu'à présent du fait d'un fond continu trop important. La technique de la dérivée troisième nous permet de, l'observer distinctive-ment.

PACS
7340G - Tunnelling: general electronic transport.

Key words
noise -- tunnelling -- observation of electronic excitations -- junctions -- derivatives of tunnel junction characteristic -- tunnelling spectroscopy