材料研究方法掃描隧道顯微分析

（優(yōu)選）材料研究方法掃描隧道顯微分析目前一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言圖3.1示意地表示了照明光源對儀器分辨本領(lǐng)的限制原理。圖3.1.1(a)中位于透鏡物平面P1上相距d的兩個物點A及B，經(jīng)透鏡L放大后，成象于象平面P2。由于物鏡光闌D對入射光束的衍射作用，物點A，B在象平面形成兩個Airy斑A'及B'．Airy斑在象平面P2上的強度分布如圖3.1.1(b)所示．d為兩個Airy斑中心位置之間的距離。。

光的衍射對儀器分辨本領(lǐng)的影響

(a)A，B兩點經(jīng)物鏡光闌衍射形成兩個Airy斑；

(b)Airy衍射斑的強度分布目前二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言顯然，當A，B兩點間距離d小于照明光波長的一半時，即小于／2時，A，B的象A'，B'將相互疊加重合，圖中入射光的波長為，此時A，B間最短可分辨距離為／2．一般情況下，人的眼睛只能分辨1／60度視角的物體，相當于在明視距離下能分辨0.1mm。因而，若不借助一定的測試分析儀器，材料工作者將無法研究物質(zhì)的微觀組織結(jié)構(gòu)。

光的衍射對儀器分辨本領(lǐng)的影響

(a)A，B兩點經(jīng)物鏡光闌衍射形成兩個Airy斑；

(b)Airy衍射斑的強度分布目前三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)目前，用于顯示材料組織特征的主要測試分析儀器有光學(xué)金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、場離子顯微鏡(FIM)等．現(xiàn)就以上有關(guān)測試分析儀器的特點簡要介紹如下：2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡1864年，Sorby首次觀察了金屬的顯微組織．目前，金相顯微鏡是材料科學(xué)者最常用的顯微觀察分析設(shè)備之一。其主要特點是：儀器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，制樣過程簡便，圖象襯度好，視野范圍廣，觀察結(jié)果比較直觀，儀器容易操作等。目前四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡在光學(xué)金相觀察前，首先采用適當?shù)慕g劑對樣品表面進行浸蝕，即對樣品表面進行顯微蝕刻，使樣品表面產(chǎn)生凹凸不平．當用一定波長的可見光照射樣品表面時，凹凸表面對入射光產(chǎn)生不同的反射，反射光經(jīng)透鏡聚焦后，在物鏡象平面上形成具有黑白襯度的、被放大了的顯微組織圖象。目前五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡近20年來，又發(fā)展了彩色金相技術(shù)。彩色金相技術(shù)利用化學(xué)的或物理的方法，在樣品表面沉積一層具有特殊光學(xué)性能的薄膜，當光線照射樣品表面時，部分入射光將被薄膜表面反射，而另外部分經(jīng)薄膜折射，并照到樣品表面，然后，又被樣品表面反射。來自樣品原表面的反射光與來自薄膜表面的反射光之間存在穩(wěn)定相位差，因而為相干波。兩束相干光在樣品表面產(chǎn)生干涉效應(yīng)，形成干涉圖案，干涉圖案經(jīng)透鏡放大后，在物鏡象平面上形成彩色干涉圖象．由于彩色圖象包含顏色種類(調(diào)色板選擇)和顏色飽和度(相當于黑白圖象的灰度級)兩方面的信息，因而與黑白圖象相比，彩色金相照片具有更好的襯度。需要指出，彩色金相是利用光的干涉效應(yīng)形成的附加顏色，并非材料表面的本征顏色．因而更準確地說，彩色金相技術(shù)應(yīng)被稱為“偽”彩色金相。

目前六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡3.1.1.2．掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的成象原理是：電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)電磁透鏡聚焦后，變成具有一定直徑的電子束，再聚焦后照射材料表面，在材料表面—定深度范圍內(nèi)激發(fā)各種信號，如二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征X射線，熒光X射線等．然后用裝茬。樣品附近的探測器接收相應(yīng)信號，并對該信號進行解調(diào)、放大處理．信號強度便反應(yīng)樣品的表面狀態(tài)。目前七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡3.1.1.2．掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)如為20倍時，其景深為5000m，此時分辨率為5m，而金相顯微鏡的放大倍數(shù)若為20倍時，景深只有5m．SEM的放大倍數(shù)若為10000倍，景深也可達10m，此時分辨率為0.01m．因此，SEM適合于觀察高低起伏較大的表面，如斷口表面等．與OM相比，SEM可顯示樣品表面的三維形態(tài)，圖象的立體感較強，而且由于樣品表面激發(fā)出的信號攜帶樣品的成分、組織、織構(gòu)、形貌等諸多信息，因而若配備有能譜儀等附件，SEM可實現(xiàn)對組織形貌觀察的同時，進行微區(qū)成分分析。SEM分辨率與所選擇的成象信號種類有關(guān)；在采用二次電子束成象時，SEM的橫向分辨率最高達6nm。但是，SEM在垂直于樣品表面方向(z方向)的分辨率較差。目前八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡3.1.1.2．掃描電子顯微鏡3.1.1.3．透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡被認為是目前分辨率較高的分析儀器之一。根據(jù)德布羅意(DeBroglie)提出的物質(zhì)波理論，運動中的微觀粒子(如光子、電子、中子及其它各類原子或離子等)，具有粒子和波動兩重性．透射電鏡就是利用運動電子的波粒二象性原理。在電場中被加速的自由電子，既具有物質(zhì)特性，也具有波動特性，因而可用自由電子作照明光源，利用電磁透鏡對其聚焦成象。若加速電壓為200kV，并考慮到相對論修正，可計算出電子波的波長為0.025A，而加速電壓為1000kV時，電子波的波長為0.00187A．顯然電子波的波長很短，因而用電子波成象時，可望顯著提高儀器的分辨率。目前九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡2.1.1.2．掃描電子顯微鏡2.1.1.3．透射電子顯微鏡另外，也可將TEM與其它分析儀相結(jié)合，進而實現(xiàn)在對材料組織結(jié)構(gòu)分析的同時，進行成分分析。在高分辨率模式下工作時，TEM可獲得經(jīng)傅里葉變換后的倒易點陣圖象，此時TEM的橫向晶格分辨率可達0.2nm；但由于采用透射電子束成象，TEM在與樣品垂直的z方向沒有任何分辨本領(lǐng)．而且，TEM觀察時，必需將樣品制備成電子束能直接穿透的薄膜(約100nm)，故樣品制備困難，從而限制了被分析樣品的種類。目前十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡2.1.1.2．掃描電子顯微鏡2.1.1.3．透射電子顯微鏡2.1.1.4場離子顯微鏡場離子顯微鏡是另一種可用于觀察樣品內(nèi)原子形態(tài)的顯微分析儀器．其工作原理如圖2.1.2所示。將曲率半徑只有幾百甚至幾十納米的針尖狀樣品放置在距熒光屏10cm左右的樣品室，樣品室預(yù)抽真空，然后充入成象氣體，來自樣品表面的帶正電的氣體離子經(jīng)加速后在熒光屏成象。附有質(zhì)譜儀、樣品針尖可調(diào)的場離子顯微鏡目前十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡2.1.1.2．掃描電子顯微鏡2.1.1.3．透射電子顯微鏡2.1.1.4場離子顯微鏡圖2.1.2右側(cè)為FIM配備的質(zhì)譜分析設(shè)備．圖中來自樣品表面的部分離子將穿過樣品室右側(cè)的小孔，進入磁場后，開始做洛倫茨旋轉(zhuǎn)運動．由于離子的質(zhì)量不同，因而，不同離子在磁場中以不同半徑做勻速圓周運動．通過探測器，可測得離子的運動半徑，從而求出離子質(zhì)量。附有質(zhì)譜儀、樣品針尖可調(diào)的場離子顯微鏡目前十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡2.1.1.2．掃描電子顯微鏡2.1.1.3．透射電子顯微鏡2.1.1.4場離子顯微鏡但是，F(xiàn)IM觀察時，樣品必須制成曲率半徑很小的針尖狀，樣品制備復(fù)雜；因而FIM的適用范圍狹窄，被分析樣品的種類有限。而且由于觀察過程必須在強電場下進，樣品表面承受很大的電場力，樣品尖部易被損壞；另外，表面強場強的存在將嚴重干擾樣品表面狀態(tài)，甚至高場強有可能改變樣品表面的組織結(jié)構(gòu)，并引起其它缺陷，導(dǎo)致圖象難以解釋。目前十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.1.1光學(xué)金相顯微鏡2.1.1.2．掃描電子顯微鏡2.1.1.3．透射電子顯微鏡2.1.1.4場離子顯微鏡2.1.1.5掃描隧道顯微鏡優(yōu)異的分辨本領(lǐng)STM是Getd人Binnig博士等于1983年發(fā)明的一種新型表面測試分析儀器。與SEM，TEM，F(xiàn)IM相比，STM具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨本領(lǐng)高等特點，可在真空、大氣或液體環(huán)境下，在實空間內(nèi)進行原位動態(tài)觀察樣品表面的原子組態(tài)，并可直接用于觀察樣品表面發(fā)生的物理或化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)過程及反應(yīng)中原子的遷移過程等。除具有一定的橫向分辨本領(lǐng)外，STM還具有極優(yōu)異的縱向分辨本領(lǐng)。STM的橫向分辨率達0.1nm，在與樣品垂直的z方向，其分辨率高達0.01nm．由此可見，STM具有極優(yōu)異的分辨本領(lǐng)，可有效地填補OM，SEM，TEM，F(xiàn)IM不足，而且，從儀器工作原理上看，STM對樣品的尺寸形狀沒有任何限制，不破壞樣品的表面結(jié)構(gòu)．目前，STM已成功地用于單質(zhì)金屬、半導(dǎo)體等材料表面原子結(jié)構(gòu)的直接觀察。目前十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理掃描隧道顯微鏡的工作原理如圖2.1.3所示．圖中A為具有原子尺度的針尖，B為被分析樣品。STM工作時，在樣品和針尖間加一定電壓，當樣品與針尖間的距離小于一定值時，由于量子隧道效應(yīng)，樣品和針尖間產(chǎn)生隧道電流。掃描隧道顯微鏡的工作原理示意圖

(a)恒電流模式，(b)恒高度模式.S為針尖與樣品間距：I,Vb為隧道電流和工作偏壓；Vz為控制針尖在z方向高度的反饋電壓目前十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理在低溫低壓下，隧道電流I可近似地表達為式(2.1.1)上式中，I表示隧道電流，d表示樣品與針尖間的距離，k是為常數(shù)．在真空隧道條件下，k與有效局部功函數(shù)有關(guān)，可近似表示為(2.1.2)上式中，m為電子質(zhì)量，為有效局部功函數(shù)，h為普朗克常數(shù)．目前十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理典型條件下，由近似為4eV，k=10nm-1．由式(4．1)算得，當間隙d每增加0.1nm時，隧道電流I將下降一個數(shù)量級。需要指出，表達式(2.1)是非常近似的．STM工作時，針尖與樣品間的距離一般約為0.4nm，此時隧道電流I可更準確表達為(2.1.3)上式中，M表示隧道矩陣元，f(E)為費米函數(shù)，V為跨越能壘的電壓，E表示狀態(tài)的能量，,表示針尖和樣品面的所有狀態(tài)。M可表示為(2.1.4)上式中，為波函數(shù)．目前十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理由此可見，隧道電流I并非樣品表面起伏的簡單函數(shù)，它表征樣品和針尖電子波函數(shù)的重疊程度．隧道電流I與針尖和樣品之間距離d以及平均功函數(shù)之間的關(guān)系表示為(3.5)其中Vb為針尖與樣品之間所加的偏壓，為針尖與樣品的平均功函數(shù)，A為常數(shù)．在真空條件下，A近似為1。根據(jù)量子力學(xué)的有關(guān)理論，由式(3.5)也可算得：當距離d減少0.1nm時，隧道電流I將增加一個數(shù)量級，即隧道電流I對樣品表面的微觀起伏特別敏感。目前十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理根據(jù)掃描過程中針尖與樣品間相對運動的不同，可將STM的工作原理分為恒電流模式[圖3.1.3(a)]和恒高度模式[圖3.1.3(b)]．若控制樣品與針尖間的距離不變，如圖3.1.3(a)，則當針尖在樣品表面掃描時，由于樣品表面高低起伏，勢必引起隧道電流變化，此時通過一定的電子反饋系統(tǒng)，驅(qū)動針尖隨樣品高低變化而做升降運動，以確保針尖與樣品間的距離保持不變。此時針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡(如圖3.1.3(a)中虛線所示)，直接反應(yīng)了樣品表面態(tài)密度的分布，而在一定條件下，樣品的表面態(tài)密度與樣品表面的高低起伏程度有關(guān)。此即恒電流模式。若控制針尖在樣品表面某一水平面上掃描，針尖的運動軌跡如圖3.1.3(b)所示，則隨著樣品表面高低起伏，隧道電流不斷變化，通過記錄隧道電流的變化，可得到樣品表面的形貌圖，此即恒高度模式。目前十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.1.1常用分析儀器的分辨本領(lǐng)2.1.2掃描隧道顯微鏡的工作原理恒電流模式是目前STM儀器設(shè)計時常用的工作模式，適合于觀察表面起伏較大的樣品；恒高度模式適合于觀察表面起伏較小的樣品，一般不能用于觀察表面起伏大于lnm的樣品．但是，恒高度模式下，STM可進行快速掃描，而且能有效地減少噪音和熱漂移對隧道電流信號的干擾，從而獲得更高分辨圖象。掃描隧道顯微鏡的主要技術(shù)問題在于精密控制針尖相對于樣品的運動。目前，常用STM儀器中針尖的升降、平移運動均采用壓電陶瓷控制。利用壓電陶瓷特殊的電壓、位移敏感性能，通過在壓電陶瓷材料上施加一定電壓，使壓電陶瓷制成的部件產(chǎn)生變形，并驅(qū)動針尖運動．只要控制電壓連續(xù)變化，針尖就可以在垂直方向或水平面上作連續(xù)的升降或平移運動，其控制精度要求達到0.001nm。目前二十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析掃描隧道顯微鏡作為一種新型表面分析儀器，問世至今尚不到20年．與其它分析技術(shù)相比，掃描隧道顯微鏡的主要特性在于能直接觀察材料表面原子排列及原子結(jié)構(gòu)。目前它已成功地應(yīng)用于單質(zhì)金屬、半導(dǎo)體、生物材料等原子或分子結(jié)構(gòu)的直接觀察與研究，成為材料結(jié)構(gòu)分析最有效的實驗設(shè)備之一。下面簡要總結(jié)STM在材料科學(xué)研究中的主要應(yīng)用。目前二十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言3.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析3.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)石墨晶體中碳原子的直接觀察是掃描隧道顯微分析技術(shù)最成功的應(yīng)用實例之一。石墨晶體屬簡單六方點陣，具有層狀結(jié)構(gòu)，碳原子的外層電子為2s2p2，當形成石墨晶體時，碳原子外層軌道發(fā)生sp2雜化，如圖2.2.1所示。圖中方框表示原子軌道，箭頭表示電子的自旋方向．方框的相對高度代表原子軌道能級的高低。石墨晶體中碳原子sp2軌道雜化目前二十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言3.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析3.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)由圖可知，sp2雜化后，形成能量低于2p軌道，但高于2s軌道的三個sp2雜化軌道。當碳原子相互結(jié)合形成晶體時，每個碳原子中，位于sp2雜化軌道上的電子與周圍三個碳原子的sp2軌道上的電子配對，彼此之間形成共價鍵——鍵．鍵角為120。此外，成鍵后，每個碳原子還有一個2pz軌道，其中有一個電子未參與成鍵，這些2pz軌道都垂直于sp2雜化軌道的平面，因此相互平行。相互平行2pz軌道滿足形成鍵的條件。形成石墨晶體時同一層中有許多碳原子，所有碳原子的垂直于sp2雜化軌道的2pz軌道上的未成鍵電子，都參與形成鍵，這種包含有許多原子的鍵被稱為大鍵。石墨晶體中碳原子sp2軌道雜化目前二十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言3.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析3.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)圖3.2.2(a)給出石墨晶體(0001)面上碳原子排列的理想結(jié)構(gòu)模型。圖中字母A，B表示(0001)面上具有不同環(huán)境的兩類碳原子。由圖可知，盡管石墨晶體屬六方點陣，但從原子結(jié)構(gòu)上看，其[0001]軸本身是三次對稱軸，而并非六次對稱軸，即石墨晶體點陣中，每個陣點是多個碳原子的幾何抽象點。石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)

(a)(0001)面理想結(jié)構(gòu)模型；(b)(0001)面STM圖象；(c)石墨中碳原子結(jié)構(gòu)的三維排列目前二十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言3.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析3.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)用STM觀察到了石墨單晶表面的原子排列圖象。圖3.2.2(b)為在大氣中室溫下用STM觀察到的高定向石墨晶體(HOPG)表面碳原子圖象。觀察時，針尖與樣品間偏壓70mV，隧道電流0.5nA．圖中亮斑點為石墨原子。由圖可知，STM觀察到的石墨晶體的[0001]軸近似六次對稱，而并非圖3.2.2(a)所示的的三次對稱。對此可作如下解釋：石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)

(a)(0001)面理想結(jié)構(gòu)模型；(b)(0001)面STM圖象；(c)石墨中碳原子結(jié)構(gòu)的三維排列目前二十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言3.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析3.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)圖3.2.2(c)為石墨晶體中碳原子在三維空間的排列情況．可見，若考慮相鄰層原子的排列情況，石墨晶體的(0001)面上原子并非等同的。在4.1.4節(jié)中談到，STM圖象反應(yīng)樣品表層及針尖處原子的平均電子態(tài)密度．若考慮相鄰層碳原子的排列，則圖3.2.2(a)中所示碳原子可分為兩類：A和B．由于所觀察到的(0001)面上原子的電子態(tài)密度受下層原子的影響，因而同一(0001)面上的原子并非等同點。在三維空間中，其小部分原子的實際高度低于其它原子。因而在STM下只有部分原子可見，從而形成彩圖1所表示的近似六次對稱的結(jié)構(gòu)。實際上，每個可見原子周圍存在三個相鄰的不可見碳原子，由于不可見碳原子的影響，從理論上，可見原子自身將呈三角形。石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)

(a)(0001)面理想結(jié)構(gòu)模型；(b)(0001)面STM圖象；(c)石墨中碳原子結(jié)構(gòu)的三維排列目前二十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述自然界中，大多數(shù)金屬均為具有三維點陣平移對稱性的晶體，而表面則是金屬晶體與真空或吸附層之間的過渡區(qū).在垂直于表面方向上，晶體點陣的三維平移對稱性被破壞，處于表面上的原子，具有與晶體內(nèi)部原子不同的點陣對稱性，此時，表層附近原子的電子態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在表面區(qū)建立起與晶體內(nèi)不同的自洽勢，其主要特征是形成一個表面偶電層．由于表面的存在，具有較大動能的電子能通過隧道效應(yīng)穿越表面勢壘，在表面原子外面形成一層稀疏的電子云；同時在表面原子內(nèi)表面電子云密度有所下降。團而形成表面偶電層。由于表面偶電層的存在，功函數(shù)降低約十分之幾電子伏特，并使功函數(shù)對表面污染十分敏感。目前二十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述由于量子隧道效應(yīng)而穿越表面原子勢壘到達金屬表面的電子在z方向上的位移量，以及z方向上動量大小之間的關(guān)系，符合量子力學(xué)的測不準關(guān)系，即可表達為(3.2.1)z為表層原子的電子云在z方向深入真空的距離，Pz為任z方向電子動量的波動范圍，?為普朗克常數(shù)．對金屬而目，z約為0.1nm，即電子能克服表面原子正電場的吸引而向相鄰的真空中深入約0.1nm。目前二十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述由2.1.4節(jié)可知，STM圖象實質(zhì)上反應(yīng)樣品表層原子及針尖尖端原子的電子平均態(tài)密度。由于表層原子的電子云形態(tài)發(fā)生變化，所觀察到的結(jié)果可能與金屬結(jié)構(gòu)的理論模型相差甚遠。因此，在用STM觀察金屬的原子結(jié)構(gòu)時，應(yīng)特別注意STM圖象的多樣性．正確分析表層原子結(jié)構(gòu)與內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別。不僅如此，表面原子的電子態(tài)發(fā)生變化后，又可能導(dǎo)致表面原子的重新排列。由于電子云變化及表面原子失去最近鄰原子引力而導(dǎo)致的原子結(jié)構(gòu)重組，稱為晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)，有時也稱為原子結(jié)構(gòu)重構(gòu)或原子重構(gòu)．因為重構(gòu)伴隨晶體結(jié)構(gòu)的變化，所以從金屬學(xué)角度出發(fā)，這種晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)即為表面相變。目前二十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述在本章提到重構(gòu)時，均指材料表面原子由于失去在z方向上的點陣平移對稱或因為表面吸附而引起的表層晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。重構(gòu)可用二維點陣模型表示．Wood提出用重構(gòu)表面的襯底結(jié)構(gòu)作為參考點陣，來表示再構(gòu)表面或吸附在表面上外來原子的結(jié)構(gòu)。設(shè)襯底點陣的基矢為a和b，并設(shè)表面點陣的基矢為as和bs．在簡單情況下，

as＝ma(3.2.2)

bs＝nb(3.2.3)則重構(gòu)可表示為M{hkl}(mn)－N(3.2.4)上式中，{hkt}為吸附面的密勒指數(shù)，m，n為整數(shù)，其含義如式(2.2.2)及(2.2.3)所示，M為襯底材料的化學(xué)元素，N為被吸附材料的化學(xué)元素．目前三十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述當襯底點陣與表面重構(gòu)點陣基矢間存在一定夾角時，表面重構(gòu)表示為M{hkl}(mn)－－N(2.2.5)上式中為襯底點陣與表面重構(gòu)點陣基矢間的夾角，式中其它參數(shù)的意義與式(2.2.4)相同．以上簡要論述了在真空環(huán)境中，金屬表面重構(gòu)產(chǎn)生的原因及表達方法．在大氣條件下，情況將更加復(fù)雜。因為，大氣中的氣體原子將在金屬表面吸附(物理吸附)，并有可能與表層金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(又稱化學(xué)吸附)，無論是物理吸附還是化學(xué)吸附，都可能導(dǎo)致金屬表層原子結(jié)構(gòu)改變，引起表面相變?？傊?，金屬原子結(jié)構(gòu)的STM觀察結(jié)果，只反應(yīng)表層原子結(jié)構(gòu)重構(gòu)后，或吸附有其它氣體分子，甚至與被吸附物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)．反應(yīng)后材料表層原子結(jié)構(gòu)，決不能簡單地用表層原子結(jié)構(gòu)來描述金屬晶體的實際結(jié)構(gòu)。目前三十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述2.2.2.2Au原子結(jié)構(gòu)的STM研究由于Au的化學(xué)性質(zhì)不活潑，所以在通常情況下，Au表面的吸附程度較其它金屬弱，因而較適合于STM觀察。Binnig等用STM觀察了Au(110)表面原子結(jié)構(gòu)，也對Au表面原子排列做了細致觀察。STM的研究表明，一般情況下，Au(111)表面存在結(jié)構(gòu)重構(gòu)，而且表面重構(gòu)并非簡單的表層原子收縮或弛豫。目前三十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述2.2.2.2Au原子結(jié)構(gòu)的STM研究圖2.2.3(a)給出Au(100)表面的原子排列的三維圖象，圖中STM觀察在超高真空下進行。由圖知，Au(100)面發(fā)生表面原子重構(gòu)，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖中Au原子呈長程鏈狀調(diào)制結(jié)構(gòu)，即形成有界疇。Au(100)表層原子重構(gòu):(a)原子重構(gòu)形成的鏈狀疇；(b)具有原子分辨率的STM圖象目前三十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述2.2.2.2Au原子結(jié)構(gòu)的STM研究圖2.2.3(b)也是超真空下獲得的Au(100)面的STM圖象。與2.2.3(a)相比，圖2.2.3(b)具有更高的分辨本領(lǐng)——原子分辨。從圖2.3(b)中仍可觀察到呈鏈狀的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，同時還可觀察到?jīng)]有發(fā)生重構(gòu)的Au(100)原子排列，圖中箭頭A所示．未重構(gòu)的Au(100)面為四次對稱面．圖中Au原子之間距離為0.29nm，單個Au原子的起伏高度為0.03nm。Au(100)表層原子重構(gòu):(a)原子重構(gòu)形成的鏈狀疇；(b)具有原子分辨率的STM圖象目前三十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.2.1表面重構(gòu)的形成及描述2.2.2.2Au原子結(jié)構(gòu)的STM研究在某些特定條件下，也可觀察到Au(111)面的原子圖象。圖3.2.4給出Au(111)面的原子圖象。圖中亮斑為Au原子．觀察前，首先將Au沉積在云母表面，并進行熱處理。熱處理后，云母表面的Au原子通過擴散形成以密排(111)面為界面的晶體膜。圖2.2.4Au(111)原子結(jié)構(gòu)目前三十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)除石墨外，對半導(dǎo)體晶體材料表面原子的直接觀察，也是STM最成功的應(yīng)用實例之一。如上所述，表層原子對稱性被破壞，將引起金屬表層原子的重新排列。對半導(dǎo)體材料而言，情況更為復(fù)雜．不少實驗事實業(yè)已證實，原子間以共價鍵結(jié)合為主的半導(dǎo)體材料Si，Ge的低指數(shù)表面上，同時發(fā)生垂直及平行于表面的原子運動，即表面原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也就是說，發(fā)生表面相變。這種表面變化將導(dǎo)致共價鍵的鍵長、鍵角變化。伴隨表面相變過程的其它現(xiàn)象還有表面應(yīng)力、應(yīng)變場，表面電子云形狀變化等．半導(dǎo)體材料表面原子的這種復(fù)雜重構(gòu)，很難用其它分析測試手段，如低能電子衍射(LEED)等，進行觀察與研究．但是，STM可成功地用于觀察分析這種典型的表面相變，并可對其進行原位動態(tài)研究。目前三十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.3.1Si(111)77及Si(111)(11)重構(gòu)Binnig等首次在Si單晶的(111)表面上觀察到77結(jié)構(gòu)重構(gòu)。若Si(111)表面發(fā)生77重構(gòu)，則原子排列如圖2.2.5(a)和2.2.5(b)所示。Si(111)(77)原子重構(gòu)(a)原子重構(gòu)面的二維投影；（b）原子重構(gòu)的三維圖像(c)Si(111)(77)原子重構(gòu)面的缺陷觀察目前三十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.3.1Si(111)77及Si(111)(11)重構(gòu)圖2.2.5(a)為(111)面的投影圖。圖中平行四邊形表示重構(gòu)后的單胞。在三維空間中，重構(gòu)后的Si(111)上原子排列如圖2.2.5(b)所示。Si(111)(77)原子重構(gòu)(a)原子重構(gòu)面的二維投影；（b）原子重構(gòu)的三維圖像(c)Si(111)(77)原子重構(gòu)面的缺陷觀察目前三十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.3.1Si(111)77及Si(111)(11)重構(gòu)2.2.5(c)是STM下觀察到的Si(1n)表面原子排列。位于照片中部的Si原子呈典型的77重構(gòu)，但可觀察到少量缺陷，如圖中箭頭A所示。圖中右下角可清晰地觀察到一個具有單原子層高度的臺階，如圖中給出的局部放大結(jié)果所示。而從圖的左上角可觀察到變形帶。該圖同時給出變形帶的局部放大圖。Si(111)(77)原子重構(gòu)(a)原子重構(gòu)面的二維投影；（b）原子重構(gòu)的三維圖像(c)Si(111)(77)原子重構(gòu)面的缺陷觀察目前三十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.3.1Si(111)77及Si(111)(11)重構(gòu)圖2.2.6為帶有點缺陷的Si(111)面的77重構(gòu)結(jié)構(gòu)。圖中亮斑點為Si原子，顯然，從圖中可觀察到大量空洞，如圖中箭頭A所示。有點缺陷的Si(111)(77)重構(gòu)目前四十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究純金屬表面的吸附過程可分為物理吸附和化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附過程的實質(zhì)是表面原廣與被吸附原子(一般來源于樣品相鄰氣氛中的的氣體分子)間的化學(xué)反應(yīng)過程。而物理吸附過程也將導(dǎo)致原子電子態(tài)密度發(fā)生變化。因為，表面的吸附過程是典型的表面物理或化學(xué)過程，所以，STM非常適合于觀察研究研究表面吸附過程。目前四十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究異相原子在金屬表面吸附后，可能引起金屬表面原子結(jié)構(gòu)重構(gòu)。一般認為，對具有簡單結(jié)構(gòu)的密排晶體而言，為降低晶體的表面能，晶體自由表面通常由低指數(shù)密排面組成，如面心立方結(jié)構(gòu)的(111)面、體心立方結(jié)構(gòu)的(011)、密排六方結(jié)構(gòu)的(0001)面等．但是，若自由金屬表面上吸附有其它原子，則經(jīng)常形成較復(fù)雜的點陣重構(gòu)。Besenbacher等研究了預(yù)先吸附在Ni(110)上的O原子與H2S間反應(yīng)的動力學(xué)．結(jié)果表明，在反應(yīng)初期，H2S與附加(21)O原子列中的O原子反應(yīng)形成水分子，Ni原子聚集形成Ni(11)小島(約2.52.5nm)，而S原子形成(41)—S原子重構(gòu)。目前四十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究Leibsle等研究了N在Cu(110)面上的吸附過程．當吸附量較少時，N原子在沿Cu[110]方向形成矩形島狀(23)結(jié)構(gòu)重構(gòu)．若有O存在時，將形成O的(21)及N的(23)重構(gòu)的聚合區(qū)．加熱(23)-N重構(gòu)時，被吸附的N解吸后可觀察到聚集在表面臺階邊緣的純Cu原子團．該結(jié)果表明,N原子的吸附過程可能首先發(fā)生在表面臺階的階面附近。目前四十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究將含飽和CO的0.1M高氯酸溶液覆蓋在單晶Pt(111)電極表面上，則CO分子將在Pt表面吸附，形成Pt(111)(22)—CO表面重構(gòu)．其原子分辨STM圖象如圖2.2.10(a)所示。若Pt(111)(22)—CO表面被氧化后，CO將轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，此時Pt(111)面表面原子結(jié)構(gòu)如圖2.2.10(b)所示。目前四十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究圖2.2.10CO在Pt(1ii)吸附后表面重構(gòu)(a)h(111)(22)-CO重構(gòu)表面；(b)Pt(111)(22)-CO表面上CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2目前四十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究圖3.2.11為S在Cu(111)表面吸附后，Cu(111)表面的原子重構(gòu)．圖中被吸附S原子在Cu(111)表面上形成的二維表面點陣的基矢為Cu襯底基矢的倍，而且相對于Cu基矢旋轉(zhuǎn)19．這種較復(fù)雜的點陣重構(gòu)可用下式表示：Cu(111)()一19—SS在Cu(111)表面吸附后，Cu(111)表面的原子重構(gòu)目前四十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究若將Au(111)面浸如KI溶液中，I將在Au(111)表面吸附，如圖2.2.12所示．圖中下半部分為Au(111)未發(fā)生點陣重構(gòu)時，表面原子排列形態(tài)，而上半部分則由于部分I原子在Au(111)吸附后，導(dǎo)致Au(111)表面原子重構(gòu)。

KI在Au(111)吸附引起的Au(111)重構(gòu)目前四十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究用STM研究氣體分子在金屬表面的吸附過程、觀察表面化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)過程，如Ruan等研究了H2S與吸附在Ni(110)面及Gu(110)面面上的O的化學(xué)反應(yīng)過程，Hashizume等研究O在Ag表面的吸附過程；Mcintyre等研究了S在Pt(111)面上的吸附過程；Ruan等研究了S在Ni(111)面上的吸附過程；Murray等研究了O在Rh(110)面上吸附時引起的表面原子重構(gòu)。目前四十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究2.2.5純金屬表面物理沉積過程的原位觀察與發(fā)生在金屬表面的吸附過程相似，當一種金屬在另一種金屬表面沉積時，也將導(dǎo)致襯底金屬表面原子結(jié)構(gòu)重構(gòu)．金屬表面原子的物理沉積過程的實質(zhì)也是發(fā)生在金屬表面的相變過程。目前四十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究2.2.5純金屬表面物理沉積過程的原位觀察Stroscio等用STM研究了多種金屬在Fe晶須表面的形核長大過程，以探索磁性材料表面原子尺度形貌與磁性能之間的關(guān)系。Grutter等用STM觀察了不同溫度下Co在Pt(111)面上的形核長大過程．當蒸發(fā)的Co以0.1mL／min的速度向Pt(111)面上沉積時，由于h(111)面的溫度不同，沉積過程有較大差別。在300K下，Co首先在Pt(111)上均勻沉積，形成10nm的小島，沉積層較厚時，小島開始聚集；在400K下，Co的沉積將導(dǎo)致Pt(111)面發(fā)生重構(gòu)，形成如Au(22)類型重構(gòu)，而且，Co的沉積具有明顯的方向性。將300K獲得的Co層在720K以下退火30min時，沉積層幾乎不發(fā)生變化，但720K以上退火時，Co向Pt基材內(nèi)擴散。目前五十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究2.2.5純金屬表面物理沉積過程的原位觀察圖2.2.13(a)為具有原子分辨的清潔Au(111)表面的原子結(jié)構(gòu)。當在Au表面沉積Cu時，表面原子發(fā)生重構(gòu)，重構(gòu)后的表面原子結(jié)構(gòu)如圖2.2.13(b)所示。STM觀察時，圖2.2.13(b)表面已經(jīng)沉積了1／3層Cu原子。Au(111)沉積Cu后表面原子重構(gòu)（a)Au(111)清潔表面；(b)沉積1／3Cu的Au(111)面目前五十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究2.2.5純金屬表面物理沉積過程的原位觀察2.2.6半導(dǎo)體材料表面物理沉積過程的原位觀察圖2.2.14給出600C溫度下，純Au在Si表面沉積時引起Si表面原子的重構(gòu)過程．由圖中央位置可觀察到Si(111)的(77)重構(gòu)結(jié)構(gòu)，由于Au的沉積導(dǎo)致不同Si(111)面形成的臺階邊緣，形成Si(111)(51)—Au原子重構(gòu)。Si(111)(51)-Au原子重構(gòu)目前五十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.2.1石墨晶體的原子結(jié)構(gòu)2.2.2純金屬原子結(jié)構(gòu)及表面重構(gòu)2.2.3半導(dǎo)體材料表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)2.2.4純金屬表面吸附過程的動態(tài)研究2.2.5純金屬表面物理沉積過程的原位觀察2.2.6半導(dǎo)體材料表面物理沉積過程的原位觀察另外，Ag在Si(111)表面的沉積后，也將引起Si晶體表面結(jié)構(gòu)的變化．圖2.2.15為室溫下，沉積有Ag的Si(111)表面的原子結(jié)構(gòu)．圖中除Si(111)(77)外，還可觀察到Si(111)(31)—Ag，Si(111)()Ag圖2.2.15沉積有Ag的Si(111)表面的原子結(jié)構(gòu)目前五十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.2我們簡要介紹了STM在純金屬、半導(dǎo)體表面原子結(jié)構(gòu)及重構(gòu)的原子分辨研究結(jié)果。除表面重構(gòu)外，金屬及其合金還存在大量其它類型的可導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)變化的相變。對材料科學(xué)工作者而言，研究材料的組織結(jié)構(gòu)及原子排列的目的在于揭示材料宏觀物理、化學(xué)及力學(xué)性能的微觀本質(zhì)。眾所周知，除少數(shù)幾個結(jié)構(gòu)不敏感性能外，材料的大多數(shù)性能與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。盡管STM的分辨率高于透射電鏡。然而，由于STM的實驗技術(shù)及儀器工作原理的限制，目前，用STM研究合金組織結(jié)構(gòu)方面的工作尚處于起步階段?？偨Y(jié)國內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)研究結(jié)果可以看出，用STM研究合金的組織結(jié)構(gòu)時至少面臨以下諸方面的問題。目前五十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨所謂原子分辨，指儀器能直接用于觀察被測材料表面或內(nèi)部單個原子的形態(tài)、排列方式．原子分辨包括以下兩種情況：(1)儀器用于直接觀察單個原子的電子云狀態(tài)及形狀并給出單個原子STM圖象．對大多數(shù)金屬而言，當配位數(shù)為12時，其原子半徑為1.0－1.3?．因此，若要實現(xiàn)金屬原子的直接觀察，要求儀器具有優(yōu)于2.0?的橫向點分辨本領(lǐng)。另外，由于表面原子在垂直于樣品表面方向上失去點陣的平移對稱性，表面原子排列及電子態(tài)將發(fā)生變化，尤其當在部分電子通過隧道效應(yīng)進入樣品表面的自由空間，并在樣品表面形成一定厚度的偶電層時，表面原子的電子云形態(tài)將發(fā)生變化，此時單個原子在表面形成的起伏差很小，因此，單原子觀察時，要求儀器具有優(yōu)異的縱向分辨。(2)除原子結(jié)構(gòu)的直接觀察外，目前用于間接分析原子晶體結(jié)構(gòu)的某些分析儀器也具有原子分辨本領(lǐng)。如X射線衍射分析，可精確測得晶體的點陣常數(shù)，其精確度可達0.001A。但需指出，X射線衍射只能給出晶體結(jié)構(gòu)的倒易圖象，必須利用有關(guān)的晶體學(xué)知識，對圖象進行相應(yīng)計算，才可獲得滿意的實驗結(jié)果。目前五十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨所謂原子尺度分辨(又稱原子級分辨)是指儀器能觀察到材料表面或內(nèi)部、尺度具有原子層厚度的微觀組織形態(tài)。顯然，原子尺度分辨并不要求儀器能實現(xiàn)對單個原子的直接觀察與研究。因此，即使儀器具有原子級分辨能力，也不等于說該儀器能用于直接觀察原子形態(tài)，若無特殊指明，本書所提到的原子尺度分辨，均指儀器具有優(yōu)于3—5?的分辨本領(lǐng)。掃描隧道顯微鏡具有原子分辨能力，能在實空間原位動態(tài)觀察純金屬表面原子的排列及重構(gòu)。但是，因為合金材料通常具有單質(zhì)金屬所不具有的綜合性能，所以，材料科學(xué)工作者更關(guān)心的是由多種元素組成的合金材料的組織結(jié)構(gòu)。目前五十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨掃描隧道顯微鏡觀察到的圖象的實質(zhì)是樣品與針尖原子平均電子態(tài)密度，即圖象與樣品的原子的電子云形狀及其與針尖材料間的相互作用程度有關(guān)。由于多元合金材料表面原子結(jié)構(gòu)、原子排列、原子外殼電子的組態(tài)錯綜復(fù)雜，而且材料內(nèi)部不同元素原子之間存在較強的交互作用，以上諸因素將不可避免地影響材料表面原子的電子態(tài)密度，另外，多種合金原子與針尖間的交互作用也十分復(fù)雜，因而，用STM直接觀察復(fù)雜合金材料的原子象存在很大困難，但我們完全可以用STM實現(xiàn)合金組織的原子尺度觀察研究，這顯然也是其它分析測試手段所無法實現(xiàn)的。目前五十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染眾所周知，金屬晶體中原子以金屬鍵結(jié)合，金屬鍵為非定域鍵，一般可用分子軌道理論來描述：當兩個或多個金屬原子相互靠近時，原來屬于單個原子的軌道將重新組合，形成以多個原子核為中心的分子軌道。成鍵分子軌道的能量比反鍵分子軌道低，而反鍵分子軌道的能量比原子軌道的能量高。晶體中包含的原子數(shù)目越多，分子狀態(tài)也越多。由于分子軌道如此之多，以至于分子軌道之間的能級差很小，許多能級相互之間連成整體而形成能帶．能帶可看成是伸展到整個晶體內(nèi)的分子軌道。能帶分導(dǎo)帶、滿帶和禁帶三種。通常情況下，滿帶的電子無法越過禁帶進入導(dǎo)帶。金屬導(dǎo)電的機理是：位于導(dǎo)帶上的電子在外加電場作用下，躍入未填滿電子的導(dǎo)帶，這樣電子進入屬于整個晶體的分子軌道。顯然，這些電子將不屬于某些原子，而是活動在整個晶體范圍內(nèi)成為非定域電子，也就是通常所說的自由電子。目前五十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染從理論上講，掃描隧道顯微鏡只能用于研究導(dǎo)電性較好的材料的組織結(jié)構(gòu)，有時也可用于研究半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)，但觀察結(jié)果較導(dǎo)體差。STM無法直接用于研究絕緣材料的組織結(jié)構(gòu)。值得慶幸的是，大多數(shù)合金均為導(dǎo)體。因而，在理想條件下，用STM研究合金的組織結(jié)構(gòu)時，不存在導(dǎo)電問題。然而，我們在用STM研究合金的組織結(jié)構(gòu)時，又會面臨另外一個困難—樣品表面污染對樣品導(dǎo)電性的影響。目前五十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染眾所周知，金屬的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在大氣環(huán)境下，金屬表面存在嚴重的表面氧化及吸附現(xiàn)象。在有氣體存在時，新鮮的樣品表面將很快受到氣體分子的污染，被一層吸附層覆蓋。如果樣品表面附近氣體的壓強為p，根據(jù)氣體分子運動理論，經(jīng)時間t后，在體心立方點陣的(hkl)面上的覆蓋度可表達為：(2.3.1)式(2.3.1)中，為常數(shù)，近似為1—2，a為所研究的體心立方晶體的點陣常數(shù)，(hkl)為晶面指數(shù)，M為氣體平均摩爾質(zhì)量，k是為波耳茲曼常量，T為氣體的絕對溫度，hkl為氣體分子在(hkl)面上的粘著系數(shù)，t為時間。目前六十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染以氮氣為例，T＝室溫，M＝14，hkl＝0.25，則在實驗時，當樣品表面污染度達到1%時，所需的時間為：t10－7／p(2.3.2)式(2.3.2)中時間t的單位為s，壓強p的單位為Torr(1Torr＝133.332Pa，下同)．在大氣條件下，氮氣的分壓約為570Torr，由式(4.32)可算出，此時樣品表面的污染度達到1％時，所需時間約210-10s。所謂污染度，指另一物質(zhì)在材料表面吸附后，吸附原子所占的表面積與材料原表面積之比。污染度越大，吸附程度越大．即使與樣品表面直接接觸的氣體的壓強只有10-7Torr，即系統(tǒng)的真空度為10-7Torr，則也只需1s的時間，樣品表面的污染度將達到1％．顯然，金屬表面的吸附和污染是無法避免的。目前六十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染樣品表面形成氧化膜或吸附層后，將嚴重影響樣品的導(dǎo)電性。例如，當游離氧原子在金屬表面吸附后，金屬內(nèi)的部分自由電子將與氧原子結(jié)合，形成氧化物離子晶體。離子晶體中，金屬正離子實與氧原子間以靜電引力結(jié)合，自由電子被束縛，因而，固態(tài)離子晶體的導(dǎo)電性很差。表面吸附層的形成，將對STM觀察產(chǎn)生以下不利影響：(1)降低材料的導(dǎo)電性。氧化、吸附的結(jié)果是在樣品表面形成一層導(dǎo)電性較差的氧化膜或吸附層，顯著降低了材料的導(dǎo)電性能，使STM無法進入正常的隧道電流狀態(tài)，因而無法實現(xiàn)用STM對樣品表面組織結(jié)構(gòu)的直接觀察。目前六十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨3.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染(2)影響STM觀察結(jié)果。即使能勉強進入隧道電流狀態(tài)，由于表面氧化及吸附將導(dǎo)致合金表層原子發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)，進而改變表層原子的排列及樣品的表面形貌，因而給STM觀察結(jié)果帶來許多假象。需要指出，表面氧化吸附現(xiàn)象幾乎是普遍存在的．我們只能設(shè)法減少表面氧化、吸附的程度，而無法完全避免．目前六十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示與原子分辨不同，用STM對材料組織形態(tài)進行分析時，首先需采取適當措施，顯示材料的內(nèi)部組織形態(tài)及精細結(jié)構(gòu)特征。在經(jīng)典的光學(xué)金相顯微鏡觀察時，通常將樣品表面用砂紙磨光，再用機械或化學(xué)拋光，然后將樣品放入適當?shù)慕g劑內(nèi)進行化學(xué)腐蝕。因為合金的微觀組織具有不均勻性，樣品表面的浸蝕程度亦具有不均勻性，所以，經(jīng)浸蝕后，合金表面顯示出樣品的微觀組織形態(tài)。顯然，在進行STM觀察時，也可用浸蝕方法顯示樣品的組織形態(tài)，但需要指出，STM對樣品表面的微觀起伏特別敏感，因而在浸蝕前，應(yīng)采用適當方法獲得具有原子尺度平整的表面；在浸蝕過程中，應(yīng)嚴格控制各類組織浸蝕程度。目前六十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示2.3.1.4．表面浮突與相變機制在相變過程中，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并由此引起材料表面發(fā)生變形．就某些相變而言，這種表面變形具有很強的規(guī)律性，而且與相變的微觀機制間存在密切聯(lián)系。例如，馬氏體相變過程中，除體積變化外，母相原子在形成新結(jié)構(gòu)的點陣重組時，將在樣品已拋光表面上形成規(guī)則的表面浮突。馬氏體相變所伴隨的表面浮突為單傾型，或“N”型．圖2.3.1示意地表示了馬氏體相變伴隨的表面浮突的形成機理。目前六十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示2.3.1.4．表面浮突與相變機制由圖2.3.1(a)可知，相變后，原來為直線的跨越母相與馬氏體的劃痕SS將轉(zhuǎn)變?yōu)檎劬€STTS，STTS呈“N”型．在馬氏體片內(nèi)的線段TT和母相中鄰接的線段在相變后仍然報保持銜接，而沒有斷開成為不連續(xù)的線段，這表明在奧氏體和馬氏體間保持互相共格的慣析面上，沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)或畸變。圖中過AD，BC且與樣品原始表面垂直的面為馬氏體的慣析面，由于相變前后，慣析面上原子的排列及相對位置均保持不變，也就是說，此面在相變前后保持不應(yīng)變、不轉(zhuǎn)動，因而慣析面又稱不變平面。馬氏體相變所伴隨浮突的形成及特征(a)表面浮突的形成機理；(b)相變應(yīng)變分布示意圖目前六十六頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示2.3.1.4．表面浮突與相變機制慣析面以馬氏體片的中脊對稱分布。此外，馬氏體片內(nèi)的線段TT仍保持直線而沒有彎曲，馬氏體片的表面仍保持平面，這表明，馬氏體相變過程所伴隨的應(yīng)變是一種均勻切變，這種在不變慣析伴隨著相變應(yīng)變示意圖如圖2.3.1(b)所示。圖中為馬氏，為母相奧氏體。馬氏體相變所伴隨浮突的形成及特征(a)表面浮突的形成機理；(b)相變應(yīng)變分布示意圖目前六十七頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示2.3.1.4．表面浮突與相變機制目前，運用馬氏體相變的晶體學(xué)表象理論，能比較圓滿地解釋馬氏體相變表面浮突的形成機理及特征，但是，由于缺乏較理想的實驗手段，目前精確定量測定馬氏體相變表面浮突有關(guān)參數(shù)還存在困難。因而，若能用STM測得馬氏體浮突的有關(guān)尺度，我們可望在不久的未來，能建立一個以原子移動機制為起點的馬氏體相變的原子遷移模型。除馬氏體相變外，合金中另一種重要類型的相變——貝氏體相變過程也伴隨規(guī)律性的表面浮突。但貝氏體相變浮突的形狀為“V”或倒“V”型．貝氏體相變浮突的形態(tài)特征及形成機理與馬氏體相變不同，對此還需做大量深入研究工作。由于微觀起伏僅僅是相變所伴隨的表面現(xiàn)象，所以，我們在嘗試用STM測量表面浮突的有關(guān)尺度時，必須綜合考慮相變的微觀機制，從而建立完善的表象規(guī)律——微觀機制對應(yīng)模型。目前六十八頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.1.1原子分辨與原子尺度分辨2.3.1.2．材料導(dǎo)電性及表面污染2.3.1.3材料微觀組織顯示2.3.1.4．表面浮突與相變機制2.3.1.5．STM圖象的重復(fù)性如上所述，由于STM圖象的影響因素十分復(fù)雜，如儀器的穩(wěn)定性、外界振動對STM信號的影響、材料表層的污染情況、組織的顯示方法、原子結(jié)構(gòu)的重構(gòu)、電子態(tài)密度等，所以，發(fā)生在樣品表面任何微觀過程，都將對STM觀察結(jié)果產(chǎn)生顯著影響.但是，材料的組織結(jié)構(gòu)卻是唯一不變的，因此，我們在用STM觀察樣品的組織結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選擇不同的組織顯示方法，以借助大量重復(fù)性結(jié)果，證實STM圖象的可靠性，進而避免將樣品表面的污染或表面其它外來因素引起的表面組織結(jié)構(gòu)變化誤認成樣品的組織結(jié)構(gòu).目前六十九頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.2STM在材料組織結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用如上所述，STM圖象是樣品表面原子、電子組態(tài)的綜合反應(yīng)，而且，若樣品表面經(jīng)過化學(xué)腐蝕，STM圖象又取決于浸蝕劑的選擇及不同相的浸蝕特點和機理。以上因素導(dǎo)致實驗中觀察到的STM圖象復(fù)雜，有時很難解釋，因而在解析STM圖象時，要求結(jié)合傳統(tǒng)分析手段(如金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡等)的觀察結(jié)果，綜合考慮諸多影響因素后，有效地進行相分析。目前，國內(nèi)外將STM應(yīng)用于合金組織結(jié)構(gòu)方面的研究結(jié)果較少，主要有以下幾個方面的應(yīng)用：目前七十頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題3.3.2STM在材料組織結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用3.3.2.1多晶純金屬晶界的STM研究Bruce等最早給出熱浸蝕多晶Cu樣品的STM觀察結(jié)果，得到雙晶晶界及三角交叉晶界的STM圖象，定量測試了晶界處相鄰晶粒的高度變化，并將STM觀察結(jié)果與其它技術(shù)的測試結(jié)果做了比較。圖3.3.2(a)為三角晶界的典BSTM圖象，其示意圖如圖3.3.2(b)所示、由圖4.3.2(a)可看出，文獻給出STM圖象的質(zhì)量較差，其原因可能是由于觀自過程直接在大氣下進行，因而樣品表面將存在嚴重的表曲污染，如表面吸附、氧化等。目前七十一頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題3.3.2STM在材料組織結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用3.3.2.1多晶純金屬晶界的STM研究3.3.2.2合金相組織形態(tài)的STM分析如上所述，用STM觀察合金的組織結(jié)構(gòu)時，在實驗技術(shù)方面存在很大困難。Pancorbo等用STM觀察了60.6Zn—38.0Al—1.4Cu合金中富鋁、富鋅相的組織形態(tài)，并與掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果做了比較。結(jié)果表明，可用STM觀察研究上述合金的組織形態(tài)。Pischow嘗試用STM觀察鑄鐵中殘余奧氏體應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的組織形態(tài)、低合金高強度(HSLA)鋼中碳(氮)化物的形態(tài)、Cu—Ag合金中連續(xù)和不連續(xù)析出物的觀察等。但觀察結(jié)果缺少與常規(guī)實驗技術(shù)的觀察結(jié)果相比較，而且，提供的STM圖象質(zhì)量較差。由以上可以看出，關(guān)于用STM研究合金相的組織形態(tài)方面的工作，在國內(nèi)外尚處于大量探索階段。目前七十二頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.3.2STM在材料組織結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用2.3.2.1多晶純金屬晶界的STM研究2.3.2.2合金相組織形態(tài)的STM分析2.3.2.3材料表面形貌的大范圍觀察STM用于材料表面大范圍研究的實例之一是觀察光柵的形態(tài)。圖2.3.3(a)是用STM觀察到的光柵的三維形態(tài)。圖2.3.3(b)為STM觀察到的另一光柵的圖象。圖中可觀察到光柵上存在一線性缺陷，如圖中箭頭A所示。

圖2.3.3光柵的三維形態(tài)目前七十三頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.4掃描隧道顯微分析實驗技術(shù)在2.3中我們已經(jīng)詳細談到，目前，用STM研究合金材料的組織結(jié)構(gòu)時，尚面臨許多困難，尤其是在實驗技術(shù)方面，需要設(shè)法減輕樣品表面的氧化、吸附，需要設(shè)法顯示材料的內(nèi)部組織形態(tài)，同時也應(yīng)選擇合適的STM工作參數(shù)等。以下簡要介紹用STM研究材料組織形態(tài)有關(guān)的實驗技術(shù)。目前七十四頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料組織結(jié)構(gòu)STM研究的相關(guān)問題2.4掃描隧道顯微分析實驗技術(shù)3.4.1掃描隧道顯微鏡工作參數(shù)選擇掃描隧道顯微鏡觀察必須在保證樣品表面不被嚴重氧化污染的前提下進行，而且，為了觀察材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，觀察前必須對樣品表面進行化學(xué)浸蝕。浸蝕后樣品表面存在較大的高低起伏，因而，在選擇STM選擇工作參數(shù)時，應(yīng)注意以下幾個方面：目前七十五頁\總數(shù)八十七頁\編于點第2章．掃描隧道顯微分析技術(shù)2.1引言2.2材料原子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微分析2.3材料組織結(jié)構(gòu)的原子尺度分析研究2.3.1材料