纳米级变形的扫描隧道显微镜测量研究.PDFVIP

第 29 卷 第 3 期 力 　学 　学 　报 Vol. 29 ,No. 3 1997 年 5 月 ACTA MECHAN ICA SIN ICA May , 1997 　纳米级变形的扫描隧道显微镜测量研究1) 谢惠民 　　戴福隆 　　王 　欢 ( 清华大学工程力学系 , 北京 100084) 杨海强 　　刘 　宁 　　高聚宁 　　庞世瑾 ( 中国科学院真空物理实验室, 北京 100080) 摘要 　提出了应用扫描隧道显微镜及利用物质原子结构测量纳米级变形的新方法 ,对高定向 裂解石墨、单晶硅材料的纳米级变形进行了测量研究 ,得到了强激光辐照石墨的残余应变场 ,对 拨原子后单晶硅形成的纳米裂纹附近区域的残余变形进行了分析. ( ) 关键词 　扫描隧道显微镜 STM ,网格法 ,纳观变形 引 　言 扫描隧道显微镜是 G. Bing 和 H. Roher [1 ]在 1982 年发明的具有高分辨率的测量仪器 ,它具 　　 有原子尺度的分辨率且可以对物体形貌进行纳米尺度的三维测量. 它的出现使人类在认识和改 造自然方面进入了一个新的层次. 同时推动了物理材料、生物、化学、微电子等学科研究的发展. 随着纳米技术的发展 ,微米/ 纳米微机械在受载条件下的失效机理研究日益成为力学工作者关注 的问题. 对于实验力学工作者来讲 ,建立纳观变形的测量方法并进行纳观尺度范围内物体的破坏 机理实验研究 ,是需要迫切解决的问题. 本文根据上述需要 ,提出了用物质结构作为网格进行纳米变形量测的新方法 ,文中对测量原 理和此方法的测量灵敏度进行了分析 ,并应用该方法对强激光辐照石墨原子结构的损伤变形和 单晶硅进行原子操作后的损伤区域残余变形进行了测量研究. 1 　测量原理和方法 1. 1 STM 测量原理 ( ) 扫描隧道显微镜选择极细探针 小于 1 nm 与被测试样表面作为两个电极 ,当试样与探针的 距离小于 1 nm , 　且两极间加有外电场时 , 电子穿过两电极之间的势垒流向另一个电极,此现象 称为隧道效应. 隧道电流 I 与针尖和试样间距 S 及平均功函数之间的关系为 1 ( 2 ) ( ) I ∝ V b exp - A S 　 1 式中 Vb 为偏置电压 , 为针尖和样品功函数的平均值 ,A 为实验常数. ( ) 应用 1 式原理利用电子反馈线路控制隧道电流恒定 ,并使用压电陶瓷控制针尖在样品表面 扫描 ,探针在垂直于样品表面的高低变化表示出样品表面的起伏 ,将针尖在样品表面扫描时运动 的轨迹记录下来 ,可以得到反映试样表面原子结构的图像. 　 1) 国家自然科学基金和中国科学院基金资助项目. 收到第一稿 收到修改稿. © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 第 　3 　期 　 谢惠民等 :纳米级变形的扫描隧道显微镜测量研究 　 333 1. 2 纳米变形的 STM 测量方法 ( ) ( ) 本实验中 ,