纳米材料的几种扫描探针显微表征方法

　　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很多,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.扫描探针显微镜(scanning probe mi- croscopy , 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 (STM)[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、分析以及定量地研究物质性质,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].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.

　　1　扫描隧道显微镜(STM)

　　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G. binning和H. Rohrer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.STM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2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.STM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3~5 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.S. T. Lee[5]报道了直径在1.3~7 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的硅纳米线,分析了原子量级的扫描隧道显微镜图像,为之前的理论计算结果提供了实验数据.STM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].Keisuke Sagisaka[8]报道了通过STM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.Jun- Zhong Wang[9]小组报道了80°C在硅(1 1 1)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,STM观察到三维均一的三角团簇和梨状团簇共存,可以看到长程有序的规则周期性锰纳米团簇排列,团簇的形貌根据样品极性变化得很明显.在硅 (1 1 1)台阶上可以看到不规则的岛状锰,这些团簇在中等尺寸下可以看得更清楚,同时可以发现在团簇形成后硅(1 1 1)基片保持了原样,说明锰和硅之间没有发生化学变化.