COMMENTS ON THE THEORY OF THE RESOLUTION IN THE SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) AND THE STRUCTURE OF THE TUNNELING BARRIER*

Résumé
Une revue du STM et de son fonctionnement est présentée. L'évolution régulière et parfois déconcertante des modèles et de la machine et l'interprétation des résultats qui en résulte sont revus /1,3/. Il est démontré qu'une théorie réaliste du STM , qui serait consistente avec les théories multidimensionnelles habituelles de l'effet tunnel, doit inclure plusieurs points essentiels : 1) Une barrière de potentiel réaliste, à trois dimensions non séparables, qui doit tenir compte des interactions-images multiples et de la géométrie non plane de la jonction tunnel /4,5/. 2) Une définition opérationnelle du plan de surface de référence à partir duquel les déplacements de la pointe sont mesurés. 3) L'identification des quantités physiques réelles qui sont sondées par le STM / 6 / . 4) La définition de la résolution et l'analyse de ses limites pratiques. Dans ce papier, nous nous focalisons sur les points 4) et 1). Une revue des définitions conventionnelles de la résolution des microscopes /7/ révèle leur inapplicabilité au STM à cause de l'absence d'effets d'aberration et de grandissement dans les jonctions tunnel. Les trois définitions récemment proposées de la résolution du STM /1,3/ sont discutées de manière critique. Il est suggéré que contraste et résolution sont interdépendants et que les deux sont fortement affectés par la structure du potentiel tunnel. Bien plus, le diamètre effectif du "faisceau tunnel" et/ou de la structure émissive ne représente pas nécessairement la limite inférieure de résolution. L'impact de ces considérations sur la théorie et la conception du STM est considérée.

Abstract
A review of the STM and its operation is presented. The steady and occasionally baffling evolution of the models of the device and consequent interpretation of the data are reviewed /1,3/. It is argued that a realistic theory of the STM , which should be consistent with current multidimensional tunneling theory, must include several essential points : 1) A realistic and non-separable three-dimensional tunneling potential barrier, which has to account for the complete multiple image interaction and the non-planar geometry of the tunneling junction /4,5/. 2) An operational definition of the reference or surface plane, i.e., the surface from which the vertical displacement of the tip is measured. 3) Identification of the actual physical quantities being probed by the STM / 6 / . 4) Definition of resolution and analysis of its practical limits. In this paper we concentrate on points 4) and 1). A review of the conventiona1 definition of microscopes /7/ underscores their inapplicability to the STM because of the absence of lense aberrations and magnification effects in tunneling junctions. The three recently proposed definitions of the resolution in the STM /1,3/ are critically discussed. Alternatively, it is suggested that resolution and contrast are interrelated and that both are strongly affected by the structure of the tunneling potential. Furthermore, the effective diameter of the "tunneling beam" and/or the emitting structure (e.g., whisker) does not necessarily represent a lower bound for the resolution. The relevance of these considerations to the theory and design of the STM is considered.