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1、 34卷(2005年) 2期扫描隧道显微镜分辨能力的研究: 对Si( 111)2( 77)表面的观察王业亮1郭海明1刘虹雯1张绳百2高鸿钧1,(1中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室 北京 100080 )(2美国再生能源国家实验室 科罗拉多 80401)摘 要 用超高真空扫描隧道显微镜首次同时清晰地分辨出Si(111)2(77)表面每个元胞中的12个顶戴原子和6个静止原子,这6个静止原子的亮度与无层错半元胞内中心顶戴原子的亮度基本相同.第一性原理计算图像和ST M实验结果完全符合,针尖的尺度小于7! 时,可以完全同时分辨出Si(111)2(77)表面的静止原子.关键词 Si(111)2(
2、77) ,静止原子,扫描隧道显微镜,第一性原理计算The “ulti mate“ scanning tunneling m icroscopy i mages of the Si( 111)2( 77) surfacesWANG Ye2Liang1GUO Hai2Ming1LI U Hong2Wen1ZHANG Sheng2Bai2GAO Hong2Jun1,(1 Nanoscale Physics 90201036)资助项目2004 - 09 - 07收到 通讯联系人. Email: hjgaoaphy . iphy . ac. cn硅(111)表面一直是当今科学与技术界最重要 的研究对象之
3、一,扫描隧道显微镜(ST M)的发明,促 使人们对Si(111)表面(77)重构的精细结构进行 系统的研究16 .然而,在纯净Si(111)2(77)的ST M成像过程中,广泛被采用的是多晶W或Pt / Ir 针尖,获得的图像一般只显示出每个元胞中的12个 顶戴原子1 ,一直未能同时分辨出所有的6个静止 原子和12个顶戴原子.例如, Avouris等2 在较大样品偏压下也仅仅观察到对应于静止原子位置的3 个鞍形突起.最近, Sutter等3 采用特殊的半导体单晶针尖,在一定的偏压下,抑制来自顶戴原子悬挂键 态的电子隧穿,用ST M选择性地对顶戴原子和静止 原子进行了成像,也没能清晰地分辨出顶戴
4、原子和 静止原子.在Si(111)2(77)表面,顶戴原子的悬 挂键态位于费米面(EF)以下0. 4eV附近,而静止原子对应的悬挂键态位于EF以下0. 8 eV附近4 .通常ST M图像给出一种“ 失真 ” 的图像,即ST M只观 察到顶戴原子,却观察不到静止原子,这种观测能力 的不足使人们认为ST M测量到的半导体表面的隧 穿电流绝大部分来自处于EF附近的电子态5 .我 们采用自制的金属钨针尖对Si(111)2(77)表面 进行ST M研究,同时清晰地观察到每个(77)元胞中的12个顶戴原子和6个静止原子. 实验设备采用Omicron公司生产的超高真空扫 描隧道显微镜(UHV2ST M)系统
5、,本底压强好于110- 8Pa.硅片为锑掺杂的N型Si (111) ,电阻约901研究快讯物理0103cm.在超高真空环境下,把样品加热到600 左右保持12小时除去表面吸附气体.然后在保 证真空度优于110- 7Pa条件下,多次加热样品到1200,除 去 表 面 氧 化 层,然 后 快 速 降 温 到 约900,再以12/s的速度降到室温, Si(111)表面可得到完美的(77)重构.实验所用的钨针尖是 用直径为0. 18 mm的钨丝在NaOH溶液中电化学 腐蚀得到的.所有ST M图像均在室温下获得. 关于Si(111)2(77)表面的结构模型,现在普 遍接受的是DAS (二聚体-顶戴原子-
6、层错)模 型6 .如图1所示,在每个(77)元胞内有9个二聚体, 12个顶戴原子,一个层错和一个顶角空洞. 在有层错半元胞和无层错半元胞内,均匀分布12个 顶戴原子和6个静止原子,在它们上面各有一个悬 挂键.一般而言, Si(111)2(77)表面的ST M形貌 像,随所加偏压不同而显示差异,由于静止原子悬挂键态离样品EF较远,用ST M清晰观察到静止原子 十分困难.当样品偏压为正时,每个元胞中的12个 顶戴原子的亮度和大小完全一致,无法区分有层错 和无层错半元胞,如图2 (a)所示.当样品偏压为负 时,可以看到有层错一侧的原子明显比无层错一侧的原子亮,两个半元胞间存在明显的明暗对比度,而 且
7、无论在有层错一侧还是无层错一侧,顶角顶戴原 子比中心顶戴原子都要稍亮一些,如图2 (b)所示. 原子间这种亮度差异表明,不同位置的顶戴原子的 悬挂键态分布在EF以下不同的能级.图1 Si(111)2(77)重构的DAS原子结构模型,圆越大表示所在位置的Si原子离读者越近 (a)顶视图:实心大黑圆表示顶戴原子,灰色大圆表示静止原子,小圆圈表示第二层原子,小黑圆点表示体原子; ( b)侧视图:(77)单胞长轴在 1- 10方向的投影我们获得了图3 (a)所示的ST M图像,样品偏图2 Si(111)2(77)表面ST M像显示顶层12个顶戴原子,图像大小为7. 5 nm7. 5 nm, (77)元
8、胞用白色细线标示图中.样品偏压: (a) 0. 57 V; (b)- 0. 57 V压为- 1. 5 V,图像大小为30nm30 nm.此图像 除具有图2 (b)所示的对比度特征之外,还有一个明 显特征是,每个(77)元胞中还显示出了6个静止原子.图3 (b)是8 nm8 nm范围的放大图像,具 有更高的分辨率和对比度,在每个(77)元胞中, 可以清楚地分辨12个顶戴原子和6个静止原子. 另外,所有静止原子和无层错半元胞内的中心顶戴 原子亮度基本相同.图3 Si(111)2(77)表面ST M像,样品偏压- 1. 5 V,每个元胞显示出12个顶戴原子和6个静止原子 ( a)图像大小为30nm3
9、0 nm, (77)元胞用白色细线标示并放大嵌于图中;(b)图像大小为8nm8 nm,静止原子和无层错半元胞内的中心顶戴原子亮度基本相同 采用金属针尖对Si(111)2(77)表面成像时,由于顶戴原子悬挂键态离样品的费米能级近一些, 所以通常认为仅能观察到顶戴原子,而不容易观察到静止原子.而我们采用金属钨针尖在样品偏压为- 1. 5V左右,观察到静止原子,一种可能的解释是, 钨针尖末端可能吸附了少量的Si原子(扫描过程中是可能发生的) ,引起针尖末端性质的改变.假如所 使用的针尖性质发生了变化,从金属性质变为半导体性质,扫描得到的图像会各有不同.例如, Sutter等3 采用的就不是通常的W或
10、Pt/ Ir针尖,而是半导体性质的InAs(111)单晶针尖,对顶戴原子和静 止原子进行了选择性成像.然而,针尖末端吸附了011研究快讯34卷(2005年) 2期少量的Si原子,也并不能改变W针尖末端的性质 (由金属态变为半导体态).据文献7 报道,金属 很容易穿透半导体介质(几层厚度) ,显示出金属性 质而不是半导体介质性质.所以即使钨针尖末端吸 附了Si原子,吸附的Si厚度也不会超过Si对W金属态的有效屏蔽长度(几个原子层厚度) ,针尖仍然 表现金属性质而不是半导体性质.因此,针尖末端 可能的吸附物改变针尖性质的解释,对本实验结果 不成立.当然,针尖末端可能的吸附物使得针尖变 得更加尖锐,
11、针尖产生隧穿的有效尺寸减小了,是会 影响针尖成像的分辨率.例如,在原子力显微镜(AFM)对Si(111)2(77)表面成像的报道中8, 研究者认为,W针尖末端吸附了一个Si原子,相当 于得到了与样品表面垂直的更尖锐的针尖. 另一种解释源于针尖的尺寸大小(针尖末端的 曲率半径)对所得图像的影响.因为针尖的尺寸大小会影响针尖成像的分辨率.考虑到Si(111)2(77)表面静止原子离最近的顶戴原子垂直于表面方 向的距离只有0. 8!,而水平方向的距离有4. 5!,可 以想象,只要W针尖足够细,在ST M的恒电流模式 下,使针尖逼近静止原子,顶戴原子将不会影响到来自静止原子的隧穿,从而实现对静止原子成
12、像.我 们采用第一性原理计算来进行验证.第一性原理计 算采用了密度泛函理论9, 10和Vanderbilt的超软赝 势方法11,截断能量为170 eV,布里渊区里一个特 殊的k点用于平面波积分.计算中采用的表面包含6个Si原子层的薄片和一个由6个Si原子层组成 的真空层,薄片的前端表面含有DAS模型中的(77)重构6 ,板块的后端表面用H原子钝化.除了真 空底层,所有的Si原子被完全弛豫到系统总能最低 状态.并且通过Tersoff和Hamann公式计算得到了模拟的ST M图像12, 13 .计算结果表明,针尖的尺寸 大小(针尖末端的有限尺寸)将对扫描的ST M图像 的形貌产生影响14 .图4是
13、当针尖的尺寸大小为7! 样品偏压为- 1. 5 V时计算得到的Si(111)2(77)表面实空间电荷分布图像,该图像和ST M扫描的图像一致, Si(111)2(77)表面的6个静止原子 和12个顶戴原子完全可以同时分辨. 本文报道了在国际上首次同时得到的Si(111)2(77)表面每个元胞中12个顶戴原子和6个静止 原子的ST M像.第一性原理方法计算结果表明,针图4 第一性原理计算的Si(111)2(77)表面的图像,样品偏压- 1. 5 V,针尖末端尺寸为7!,可清楚分辨所有的顶戴原子和静止原子尖的尺度小于一定值后,完全可以同时分辨出Si(111)2(77)表面的顶戴原子和静止原子,理论
14、 计算图像和ST M实验结果完全符合.这一结果的更为深刻的意义是:在ST M的针尖上仍大有学问可 做,特殊的ST M针尖能得到更高分辨的和更为精细 的表面电子态结构信息,这对纳米结构与特性及其 在纳米科技中的应用有重要的意义.致谢 感谢杜世萱博士、 陈东敏教授和谢心澄教授 给予的有益讨论与建议.参考文献 1 Binnig G, Rohrer H, Gerber Chet al.Phys .Rev .Lett . ,1983, 50: 120 2 Avouris Ph, Wolkow R.Phys . Rev . B, 1989, 39: 5091 3 Sutter P, Zahl P, Sut
15、ter Eet al.Phys .Rev . Lett . , 2003,90: 166101 4 Hamers R J, Tromp R M, Demuth J E.Phys .Rev . Lett . , 1986, 56: 1972 5 Becker R S, Swartzentruber B S, Klitsner T .Phys . Rev . B,1989, 39: 1633 6 Takayanagi K, Tanishiro Y, TakahashiMet al. J. Vac.Sci .Technol . , 1985, A3: 1502 7 Zhang SB, CohenM
16、L, Louie S G . Phys . Rev . B, 1986, 34: 768 8 Giessibl Franz J, Hembacher S, Bielefeldt Het al.Science,2000, 289: 422 9 Hohenberg P, KohnW.Phys . Rev . , 1964, 136: B864 10KohnW, Sham L J.Phys . Rev . , 1965, 140: A113311VanderbiltD.Phys . Rev . B, 1985, 32: 841212Tersoff J, Hamann D R.Phys . Rev . B, 1985, 31: 80513Zhang SB, ZungerA.Phys . Rev . Lett . , 1996,
