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STM图像:概念与解释

【摘要】:STM通常被认为是测量表面原子结构的工具,具有直接测量原子间距的分辨率。在解释STM图像时应注意以下几个问题。STM图像并不直接反映表面原子核的位置,STM反映的是样品波函数的起伏,在不同的偏压下,探测到的是不同的表面波函数。STM成像的倒易原理。这就可以很好地解释金属表面的STM图像会出现大的起伏的现象。

STM通常被认为是测量表面原子结构的工具,具有直接测量原子间距的分辨率。但必须考虑电子结构的影响,否则容易产生错误的信息。原因是STM图像反映的是样品表面局域电子结构和隧穿势垒的空间变化,与表面原子核的位置没有直接关系,并不能将观察到的表面高低起伏简单地归纳为原子的排列结构。

在解释STM图像时应注意以下几个问题。

STM图像并不直接反映表面原子核的位置,STM反映的是样品波函数的起伏,在不同的偏压下,探测到的是不同的表面波函数。在考虑了隧穿过程以及样品表面与针尖的电子态的性质后,STM代表的应该是表面的局部电子结构(包括费米能级以上和以下的表面电子结构)和隧穿势垒随空间的变化,而不是样品表面原子核的具体位置。

(1)针尖电子态的影响。因为隧道电流是由样品和针尖共同作用产生的,所以STM不仅反映出样品表面的电子态性质,也会显示出针尖表面的电子态。

(2)STM成像的倒易原理。因为隧道电流是由样品电子态和针尖电子态的卷积决定的,则针尖与样品之间存在根本的微观对称性:在观测中把针尖与样品中“起作用的”电子态加以交换,得到的图像应该相同。换句话说,STM在微观尺度的成像既可以解释为用针尖态来探测样品态,也可以解释为用样品态来探测针尖态。这就可以很好地解释金属表面的STM图像会出现大的起伏的现象。

(3)扫描隧道谱。电荷密度的分布反映了原子的起伏,而通过在每一个原子位置改变偏压,并记录下相应的IV变化关系,就可得到扫描隧道谱(STS)。STS可以测量表面上局部位置的能级,经过处理可以绘出单个表面电子态的位置。这种测量方法常用于半导体材料的表面与界面研究。从STS数据中可以获得比一幅表面形貌图更丰富的关于表面占据态和未占据态的信息,还可以得到关于样品表面或待测物体的化学组成、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等方面的细节。