扫描显微镜和低能电子衍射显微镜在表面纳米材料中的应用

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1、基础及前沿研究中国科技信息2010年第1期CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONJan.2010扫描显微镜和低能电子衍射显微镜在表面纳米材料中的应用吴献营口职业技术学院115003摘要射技术和场离子显微镜。衍射技术不可能的电压（小于10伏）作用下探针随样品扫描隧道显微镜和原子力显微镜是应用在纳对材料表面的空间结构直接观察，场离子表面变化在三个空间方向x，y，z精确移动。米材料研究和技术中的显微观察方法。本文显微镜对所观察的材料体系有许多限制。其中x，y是探针的扫描方

2、向，z方向上的简单介绍了这些技术的工作原理，并通过实1982年，STM被发明[1]，它给表面科学带移动反映出表面形貌的起伏变化。V是加例介绍了这些技术在表面科学和纳米材料制来了一场革命，因此发明者获得了1986年在样品表面和探针之间的电压，I是相对于备中的应用。的诺贝尔物理学奖。STM可以在原子尺度参考值I0的电流讯号。样品高度变化引起关键词上大面积直接的观察表面结构，因此其很的电流讯号送给反馈回路，转换成电压，经表面;纳米材料;显微观察;扫描隧道显微镜;原快成为高分辨的表面观察的标准技术和手过放大

3、加载到压电三脚架的臂上。z方向的子力显微镜段。STM不仅使表面科学技术发生变革，变化输入到计算机，转换成表示样品表面也可以称之为纳米科学的开端。在过去的高度相对变化的彩色图像。二十多年中，STM的基础理论和技术得到了很大的发展，被应用在原子尺度上的影像、谱线和原子的操控等广泛的材料科学领域。本节简单介绍STM工作原理和它在半导体表面研究中的应用。1.1.1基本工作原理[2]STM的基本工作原理基于量子力学的电子隧道效应：当一支金属探针与样品表面的距离只有一个埃的数量级时，电子会跨越一个能量势垒在两者

4、之间作隧穿运动，在偏压V的作用下产生隧穿电流。隧穿电图1STM装置示意图[2]纳米材料是现代材料科学最热门的研流I的大小与探针和样品之间的距离d是很1.1.2STM表面成像[3]究和应用领域。为了深入研究纳米材料的强的自然指数关系，，其材料表面结构研究是STM最为广泛的结构和制备过程，需要直接观察纳米材料中K是电子状态有关的参数。如果距离变应用的领域。Si材料表面结构是最早应用的微观结构和生长过程。这类观察需要精化一埃，隧穿电流则相应的变化一个数量STM表面成像技术研究的材料体系之一，确到材料的原子

5、结构。本文介绍应用在纳级。如果在探针最顶端的位置只有一个原这些研究揭示了Si（111）和Si（100）米材料科学研究中的观察手段：表面显微子，通过该原子的隧穿电流是检测讯号的的表面原子键合与再构，表面台面镜和低能电子显微镜。主要部分，使探针的分辨率达到原子量级。（Terraces）和台阶（Steps）的热力学当探针在整个样品表面扫描，并通过一个行为，电子表面迁移，表面台阶的聚合1、表面扫描显微镜反馈回路和压电调节器调节探针与样品之（bunching），热力学平衡状态Si表面的小间的距离以保持隧穿电流

6、不变。这时，测量面结构等。这些研究和观察使Si成为人们扫描过程每一步压电调节器上的电压则给对其结构了解的最为透彻的材料之一。表面扫描显微镜主要有两种：扫描隧出了样品表面的形貌的变化。例如，STM直接观察证明Si（111）有道显微镜和原子力显微镜。图1是STM装置的示意图。在样品表复杂的7×7表面再构结构，图2（b）和（c）1.1扫描隧道显微镜（Scanning面做扫描运动的探针连接在一个压电三脚是这种再构的恒电流STM像，它们被誉为TunnelingMicroscope,STM）架上。该三脚架的每一

7、个压电臂的压电伸STM成像技术发展的里程碑。图2（b）的在STM出现以前，材料表面结构的缩系数是几个埃/伏，这足以保证在很低成像是通过电子由Si（111）样品表面中研究和观察只能依赖于各种粒子的表面衍-52-的占据态隧穿到探针原子的空态形成的隧不同的是AFM是通过探针受力的变化来获穿电流。图2（c）成像的隧穿电流方向取表面形貌的信息。AFM探针一般装在则相反。因此，图2（b）被称为占据100微米长几十微米宽的悬臂顶端，它的态STM像，而图2（c）则被相应地称位置和移动通过压电控制器实现。AFM为空态

8、STM像。两张像都清楚地显示出最常用的工作模式有两种，恒接触模式和每一个再构单胞中的十二个Si原子。但是间歇接触模式（敲击模式）。在恒接触工两张像有所不同。在图2（b）中，每作模式下，探针与样品表面始终保持接半个单胞中的六个原子高出其另外半个单触。如果样品表面起伏变化，悬臂所受的胞的六个原子。这是由于两个半单胞原子力随之变化，使其偏转。悬臂偏转程度正其中面的堆积次序不同引起的电荷密度效应决比于所受力的大小，并通过照射到悬臂上定的。STM表面结构研究的另一个著名的激光束