扫描探针显微镜在材料表征的应用

扫描探针显微镜在材料表征的应用

褚宏祥

【摘要】作为一种广泛应用的表面表征工具,扫描探针显微镜(SPM)不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法, 以纳米材料为主要研究对象,展示了这几种技术在表征纳米材料的结构和性能方面的应用.【期刊名称】《曲阜师范大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2010(036)002

【总页数】5页(P80-84)

【关键词】材料表征;SPM;STM;AFM;NOSM

【作者】褚宏祥

【作者单位】曲阜师范大学物理工程学院,273165,曲阜市;淄博师范高等专科学校科研处,255130,山东省淄博市

【正文语种】中文

【中图分类】O434.14

纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用.纳米科学是在纳米尺度上(0.1 nm-100 nm),其本身具有量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应,宏观量子隧道效应,库仑堵塞与量子遂穿效应和介电限域效应,因而使纳米材料展现出许多特有的光学、光催化、光电化学、化学反应、力学、热学、导电等性质.

研究物质的特性及其相互作用,纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素,而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系,就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征.要表征的重要特征主要包括晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中,杂质的剖析等.

材料性能的各种测试技术,包括宏观上的性能测试和微观上的成分结构的表征,是材料科学的重要组成部分.材料结构的表征方法相当多,但就其任务来说主要有3个,即成分分析,结构测定和形貌观察.形貌观察主要利用显微镜,包括光学显微镜和电子显微镜.扫描隧道显微镜(Scanning Probe Microscopy,SPM)是20世纪80年代发展起来的一种新型显微表面研究新技术,其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构.SPM是一系列基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜的总称,包括一系列工作原理相似的可以使物质成亚纳米量级像的新型显微技术,如扫描隧道显微镜(ST M)[1]、原子力显微镜(AFM)[2]、近场扫描光学显微镜(SNOM)[3]等.由于SPM基本的操作原理可以在纳米尺寸范围内进行测量,分析以及定量的研究物质性质,这些数据反映了局部甚至单个原子或分子的性质,对纳米材料提供了新的结构信息.扫描探针显微镜标志着对物质表面在显微量级上成像和分析的一个新技术领域的诞生,并在工业和科技方面有显著的应用[4].本文以纳米材料为主要研究对象,综述了这几种扫描探针显微表征技术,展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.

微观粒子具有波粒二象性的一个重要结果就是隧道效应,扫描隧道显微镜就是在此基础上发展起来的.自从1982年Binning G和Rohrer H发明了扫描隧道显微镜以来,扫描隧道显微镜在材料的微观结构表征方面发挥了越来越重要的作用.ST M 的基本原理就是隧道效应,将直径小到原子尺度的探针针尖和样品的表面作为两个电极,对电子而言,针尖和样品间的间隙相当于一个势垒,当针尖和样品非常接近时

(小于1 nm),势垒变得很薄,电子云相互重叠,具有能量的电子就有一定的概率穿透势垒到达另一极,在两极之间加一电压,电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖,形成隧道电流,这样,当探针在样品表面上扫描时,表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变化.ST M正是利用隧道电流对间距的敏感性来工作的,可以分辨表面上分立的原子,揭示出表面上原子的台阶、平台和原子阵列.扫描隧道显微镜其分辨本领为目前各种显微镜中最高的:横向分辨本领为0.1 nm,深度分辨本领为0.01 nm.通过它可以清晰地看到排列在物质表面的单个原子或分子. 一维纳米材料由于其量子尺寸效应在未来的纳米科技领域将扮演重要的角色.在半导体领域中硅是最重要的材料,硅纳米线也是近年来研究的热点.以前的报道中有多种方法制作硅纳米线,这些纳米线尺寸在3 nm到5 nm,但理论计算要得到显著的量子尺寸效应需要硅纳米线的直径效应小于3 nm.在硅晶片领域的一个关键技术就是去除氧化层并形成一个稳定的,低缺陷的硅表面,对于小直径的硅纳米线同样需要高质量的表面.Lee S T[5]报道了直径在1.3 nm到7 nm氧化层已经去除并且用氢处理过的使其在空气中更稳定硅纳米线,分析了原子量级的扫描隧道显微镜图像,为之前的理论计算的结果提供了实验数据.ST M的实验在超高真空环境10-10 T进行,对于每根纳米线电流值和电压值测量超过20个点.ST M可以为表面电子态提供可视化的量子干涉信息,并且可以调制一个封闭系统的电子态[6-7].一些结构尽管在最优化的条件下,在表面生长时依然是自发生长,因此人工控制结构对于设计结构优化结构的电学性质方面体现出优势.Sagisaka Keisuke[8]报道了通过ST M尖端与样品的点接触在硅表面沉积钨原子构造一维量子阱,可以在需要的位置构造设计好的长度.由于在高密度磁存储方面的潜在应用,磁性纳米团簇的3 d过渡金属吸引了越来越多的注意力,Wang Jun-Zhong[9]小组报道了80°C在硅(111)表面以较低的沉积速率沉积锰,得到了高度排列的锰纳米团簇,ST M观察到三维均一的三角团簇和梨状团簇共存,图1(a)显示了锰纳米团簇排列的ST M宏观形貌,可以看到长程有

序的规则周期性锰纳米团簇排列,其中亮三角星是由相邻的四个团簇构成,团簇的形貌根据样品极性变化的很明显.在硅(111)台阶上可以看到不规则的岛状锰,这些团簇在图1(b)中等尺寸下可以看的更清楚.同时可以发现在团簇形成后硅(111)基片保持了原样,说明锰和硅之间没有发生化学变化.在图1(c)的高分辨率ST M图像中可以获得更多的结构信息,标出“T”的单个三角团簇保持了硅的三维对称,在三角团簇的边缘有一些弯曲趋势,三角形团簇显示了球形.

扫描隧道显微镜(ST M)使得人类首次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态,但由于其只能用来直接观察和研究导体和半导体样品的表面,存在很大的局限性,原子力显微镜(AFM)凭借其纳米量级的精度和不受样品表面导电性限制的优势奠定了它作为一种独立的表面分析仪器的地位,其应用随着纳米科技热的兴起而日益引起人们的关注.

原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(ST M)在结构上非常相似:传感器都是很细的探针,定位于距样品表面很近的位置,区别只在于原子力显微镜中多了微悬臂.由于结构上的差别,它们的工作原理迥然不同:扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道效应,隧道电流的变化直接反映出样品表面形貌的起伏,而原子力显微镜的工作原理基于量子力学中的泡利不相容原理,样品表面形貌的变化表现为微悬臂的弯曲变形它们通过其端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况,它们之间的作用力会随距离的改变而变化,当原子与原子很接近时,彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用,所以整个合力表现为斥力的作用,反之若两原子分开有一定距离时,其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用,故整个合力表现为引力的作用.在原子力显微镜的系统中,是利用微小探针与待测物之间的交互作用力,来呈现待测物的表面的物理特性.

单晶、压缩粉体和薄膜等磁性材料的电磁性质已研究了很多,虽然磁性纳米材料在纳米电磁效应和人工电磁结构等领域有广阔的前景,但相关的研究却比较少.AFM纳