原子氢在Si(100)表面吸附的FI-STM研究

高性能的场离子-扫描隧道显微镜(field ion-scanning tunneling microscope简称FI-STM)已成功地用于原子氢在Si(100)2×1表面的化学吸附过程的研究。结果表明,在小于6L低的氢暴露量下,氢原子通常是吸附在Si的二聚原子列(dimer rows)的顶部。随着氢暴露量的增加,先后出现Si(100)2×1:H单氢化物相(monohydride)和Si(100)1×1::2H双氢化物相(dihydride)两种表面结构。氢饱和的Si表面的热脱附研究表明,当样品被加热到590K时,表面结构并无明显变化;而到达670K时,则表面的(1×1)双氢化物相消失;当温度升高到730K时,(2×1)结构的二聚原子列又重现于表面,而且在Si衬底的台阶上出现许多错列的吸附原子链。这些原子链垂直于原先的Si的二聚原子列的方向,因此被认为是由Si的氢化物热解产生的Si原子在Si(100)表面的有序化排列。

场离子-扫描隧道显微镜

由IBM的Binnig和Rohrer发明的扫描隧道显微镜STM是基于与原先的各种表面研究手段完全不同的原理,能直接观察一个个表面原子并能测出每个原子位置上的电子状态的划时代的表面研究装置。STM之所以引起表面科学工作者的注目主要原因是由于它能在极高的空间分辨率(dX/Y～0.1nm,dz～0.01nm)下直接观察表面的原子结构。而且,它不一定需要超高真空条件,而可以在大气或溶液等环境中操作。这是以往任何一种表面研究手段不可能做到的。然而,即使如此,STM也暴露出它的弱点,如操作特性的不稳定性以及操作过程中原子分辨能力的不可控性。很显然主要原因是扫描探针的尖端曲率半径及其稳定性。为了在STM实验中随时监测其扫描探针尖端的原子排列状况,Kuk及Sakurai等人先后设计研制了一种将场离子显微镜FIM和STM组合在一起的复合型场离子-扫描隧道显微境FI-STM。使用这种仪器可以确保在极高的原子分辨的情况下从事STM研究。下面将就FIM的原理、STM的基础、FI-STM的技术细节以及它的应用实例作简单的介绍。