物质表面的微观世界——封一、封四的说明

 在表面物理、表面化学和材料科学的某些领域中,表面的重要性自不待言.但在原子、分子尺度上,物质表面的微观世界究竟如何,在扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)发明之前,人们并没有任何一种实验手段可在实空间内直接观察物质表面一个或几个原子层的微观结构.因此,世界上第一台STM的发明者,IBM公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗雷尔(Heinich Rohrer)博士荣获了1986年度诺贝尔物理奖.STM的问世,使人类第一次能够实时观察到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质,被科学界誉为是对表面科学和表面现象分析技术的革命.     

用AFM和XPS研究LiBq4/ITO的表面和界面

用原子力显微镜(AFM)研究了LiBq4／ITO样品表面形貌,结果表明LiBq4层中存在很多裂缝和空隙。用X射线光电子谱(XPS)研究样品表面和界面的电子状态,发现Cls谱在高结合能端出现氧化特征的肩峰,表明真空蒸发沉积的LiBq4分子存在明显的氧化现象;对Bls谱的分析发现,界面处B原子的相对值远低于理论值,说明界面处存在B原子离解,导致了LiBq4分子的更高氧化态;从Cls谱发现,表面污染C的比例很高,而界面处大为下降,原因是表面吸附了气体,从而证实了LiBq4表面存在大量空隙和裂缝。定量研究发现,界面处存在N原子与In、Sn原子的相互作用,这将影响LiBq4的发光颜色。     

原子力显微镜在PLD法制备ZnO薄膜表征中的应用

利用脉冲激光沉积(PLD)法在氧压为16 Pa、衬底温度为400~700 ℃时,在单晶Si(100) 衬底上制备ZnO薄膜,并通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)谱和光致发光谱对制得的薄膜样品进行表面形貌、结构特性和发光性质研究。其中通过原子力显微镜对样品的二维、三维以及剖面线图进行了分析。结果表明衬底温度700 ℃时得到的薄膜样品表面较均匀致密,晶粒生长较充分,结晶质量较高,相对发光强度高。控制氧压为5.7 Pa,在衬底温度为600 ℃,沉积时间分别为10,20,45 min制备ZnO薄膜样品;利用原子力显微镜对样品进行表面形貌观察,得知只有沉积时间足够长才能使薄膜表面晶粒充分生长。     

感应耦合等离子体刻蚀p-GaN的表面特性

研究了p-GaN材料经感应耦合等离子体(ICP)刻蚀后的表面特性，并用不同的方法对刻蚀表面进行处理.利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)对刻蚀样品进行分析，并在样品表面制作Ni/Au电极，进行欧姆接触特性的测试.实验结果表明了NaOH溶液处理表面对改善材料表面和欧姆接触特性是比较有效的.     

力曲线重构实验课程平台

原子力显微镜(AFM)作为一种分辨率可达原子量级的测量工具已经广泛应用于纳米材料、生物医学等领域.目前大学里开设与AFM成像技术相关的实验课程中,大多是向学生展示AFM扫描样品获得形貌图的功能,较为单调,无法使学生在实验课程中更深入地了解AFM的工作模式及成像方式.近年来,通过对原子力显微镜的输出信号进行分析,并利用高次谐波信号进行重建力曲线,使探测样品表面力学信息的方法得到了深入的研究.本文完整地叙述了使用自主开发的AFM实验平台进行重构力曲线的过程,并将其应用于AFM实验课程中,从而加深学生对AFM成像原理的了解.     

感应耦合等离子体刻蚀p-GaN的表面特性

研究了p-GaN材料经感应耦合等离子体(ICP)刻蚀后的表面特性,并用不同的方法对刻蚀表面进行处理.利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)对刻蚀样品进行分析,并在样品表面制作Ni/Au电极,进行欧姆接触特性的测试.实验结果表明了NaOH溶液处理表面对改善材料表面和欧姆接触特性是比较有效的. 关键词： GaN 感应耦合等离子刻蚀 表面处理 欧姆接触     

二维云母界面对晶体定向生长的诱导作用研究

利用原子力显微镜(AFM)研究了云母衬底对氯化钠晶体定向生长的诱导作用,发现云母表面的氯化钠按照夹角60°左右的方向或者相互平行、相互垂直的方向生长,此角度分布规律与文献中生物分子在云母表面诱导下组装的纳米结构的夹角相互一致。说明云母表面不但可以用于诱导生物分子按照一定的方向进行自组装,还可以用于诱导无机晶体按照特定的方向进行组装生长。     

探针诱导表面等离子体共振纳米光刻系统

提出了一种在原子力显微镜(AFM)基础上设计的探针诱导表面等离子体共振纳米光刻(PSPRN)系统.此系统不但实现了探针的精确控制,而且由于系统本身具有AFM的全部功能,因此可以实时检测样品表面的形貌以及光刻效果.系统采用改进的Kretschmann型共振耦合器件,在棱镜和样品基板之间注入匹配折射率油,使样品更方便更换;利用声光调制器与AFM配合实现了等离子体激发光照射时间的精确控制.通过初步实验,在银(Ag)膜表面获得了直径100 nm左右的光刻点,验证了PSPRN的可行性.研究了光照时间、激光功率、激光入射角、材料厚度等因素对光刻点大小、深度的影响,为实现更小的光刻点提供了参考.     

软 X射线共振非弹性光散射及其应用

软 X射线共振非弹性光散射是近年来随着高亮度第三代同步辐射出现而发展起来的光散射光谱技术 ,可以用于对多原子构成的分子、凝聚态物质进行位置选择的价电子态结构的研究。与 X射线光电子能谱 ( XPS)或紫外光电子能谱 ( UPS)相比 ,这一光谱方法由于测量样品激发后产生的散射 X射线 ,因而不仅可以获得表面的原子分子信息 ,而且可以用于研究样品体内或掩埋薄层的原子分子。同时这一方法的共振特性使得其可以进行灵敏的元素选择测量。本文将介绍这一光散射光谱技术及其在原子分子物理、表面物理及凝聚态物理中的应用     

原子层沉积制备铱薄膜的特性研究

以乙酰丙酮铱[Ir(acac)3]和高纯氧为前驱体,采用原子层沉积(ALD)方法在基板温度为340℃的石英玻璃和硅基板上制备了金属铱薄膜。采用反射光谱测试仪、X射线电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等手段对不同厚度薄膜的微结构、表面形貌和光学性能进行了研究。结果表明,原子层沉积制备的Ir薄膜中元素纯度较高(大于95%),表面粗糙度低,并呈现多晶纳米颗粒。同时,Ir薄膜在紫外波段表现出较好的光学特性,可以用于制作Ir金属紫外光栅等光学器件。     

CHN薄膜的制备方法与工艺研究

 采用空心阴极等离子化学气相沉积方法，以NH₃/H₂的混合气体及CH4气体为原料反应气体，成功地制备了非晶的CHN薄膜，研究了CHN薄膜的沉积速率与直流电压及反应气体流量的关系。同时用X射线光电子能谱(XPS)确定了不同条件下薄膜中N原子的百分比，用原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面粗糙度及表面形貌进行了测量和表征。结果表明：薄膜中N原子的百分比最大为12%，薄膜的表面结构光滑、致密，表面粗糙度小于1 nm。     

GaAs(001)衬底上分子束外延生长InNSb单晶薄膜

利用射频氮等离子辅助分子束外延(RF-MBE)技术在GaAs(001)衬底上生长稀氮 InNSb半导体薄膜,并通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和拉曼散射光谱等测量手段对样品的微结构和N组分等进行了表征.结果显示样品有较好的晶体质量,N组分可高达0.84%(XRD的结果).本文还对样品的输运性质进行了表征,结果显示样品在室温下具有较低的载流子浓度和较高的迁移率.另外,初步研究表明在InSb中掺入N可导致其室温磁阻明显下降. 关键词： 分子束外延 稀氮半导体 X射线衍射 拉曼光谱     

原子力显微镜在轻敲模式下的动力学模型

基于Hamaker假设、Lennard-Jones势能定律及经典弹性理论建立了一种新型的球体与平面黏着接触的弹性模型，该模型显示黏着力在原子力显微镜(AFM)针尖趋近和撤离样品表面，即加载和卸载的两个过程中存在黏着滞后现象，表明了AFM在轻敲工作模式中存在能量耗散.同时，根据所建的黏着接触弹性模型，建立了AFM在轻敲工作模式下的动力学模型，研究了AFM在轻敲工作模式下的振动幅度、相位差及耗散功率随针尖与样品表面间距的变化规律，仿真结果与现有的实验结果相一致.     

过渡金属表面γ-氨丙基三甲氧基硅烷膜的研究

本文对在过渡金属铁、镍电极表面制备得到的γ-氨丙基三甲氧基硅烷(γ-APS)膜进行了研究。实验中对硅烷膜用X-射线光电子能谱(XPS)、现场表面增强拉曼散射光谱(SERS)和原子力显微镜(AFM)进行了表征。X-射线光电子能谱(XPS)的结果发现存在两个N1s峰,表明γ-APS膜中的氨基有两种存在方式:自由氨基和质子化氨基。实验中还发现现场表面增强拉曼散射光谱(SERS)是研究金属/γ-APS体系中界面层结构非常有效的手段,SERS结果表明硅醇羟基和氨基发生了竞争吸附,且γ-APS分子在外加电位等条件的影响下吸附状态会发生一定变化。原子力显微镜(AFM)的表征结果在微观上显示电极表面的γ-APS膜上形成了一种较规则的微孔结构,这种结构可能与基底的性质有关。     

铒掺杂富硅热氧化SiO2/Si发光薄膜的显微结构

利用金属蒸气真空弧 (MEVVA)离子源将稀土元素Er离子掺杂到富硅热氧化SiO2 /Si薄膜中。卢瑟福背散射 (RBS)和X 射线电子能谱仪 (XPS)分析表明 ,Er浓度可达原子百分数 (x)～ 10 ,即Er的原子体浓度为～ 10 2 1·cm-3 。XPS研究发现 ,随着Si注量增大 ,退火态样品表面硅含量增多 ,热氧化硅含量减少。反射式高能电子衍射 (RHEED)和原子灵敏度因子法 (AFM)研究表明 ,样品表面没有大量Er析出或铒硅化物形成 ,退火后表层中Si外延再生长、有针状微晶硅颗粒形成。在 77K及室温下 ,研究了Er掺杂富硅热氧化SiO2 /Si薄膜的近红外区 1 5 4μm附近光致发光光谱     

扫描隧道显微镜和原子力显微镜

 在微观领域对物质进行观察和研究中,人们发明了各种显微镜。但是光学显微镜由于受到光的波长的限制而无法达到很高的分辨率,Ｘ射线衍射技术则要求观察样品必须是晶体,透射电镜则需要对观察样品进行超薄切片。所有这些要求使人们的观察受到了限制,因此人们开始研制更加先进的显微镜。１９８２年宾尼格、罗雷尔及其同事们成功地研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）,导致了显微领域中的一场革命,并在它的基础上研制出一系列的扫描探针显微镜,如原子力显微镜、磁力显微镜和激光力显微镜等。ＳＴＭ的出现使人类第一次可以实时地观测单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理性质和化学性质。     

利用扫描隧道显微镜在溶液中直接观测过渡族金属硫属化合物

本文利用自制的溶液扫描隧道显微镜在溶液环境下直接观测到TiSe₂、MoTe₂和TaS₂样品的原子分辨率图像. 通过将单晶样品在溶液中直接解理,可以保护解理过的新鲜样品表面在几个小时内不会被严重污染. 利用自行搭建的溶液扫描隧道显微镜,首先观察到了TiSe₂活泼样品的原子分辨率图像,并观察到了TiSe₂表面所特有的点缺陷和三角形缺陷结构. 此外,还观察到了MoTe₂的原子分辨率超结构和TaS₂表面的电荷密度波结构. 结果表明：在室温、溶液环境下能更高效的研究过渡族金属硫属化合物等活泼样品的表面电子态结构,同样适用于溶液环境下的电催化和电化学研究.     

氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响

采用原子力显微镜(AFM)、俄歇电子能谱(AES)和显微压痕分析等手段对射频等离子体增强化学气相沉积法制备的掺氮类金刚石(DLC：N)薄膜的微观结构和力学性能进行了研究.结果表明,随着含氮量的增加,DLC薄膜的AFM表面形貌中出现了几十纳米的颗粒,原子侧向力显微镜和AES分析表明这种纳米颗粒是x大于0.126的非晶氮化碳CN_x结构.这种非晶DLC/CN_x的纳米复合结构,减小了薄膜的内应力,从而提高了薄膜与衬底的附着力. 关键词： 类金刚石碳膜 微观结构 附着特性     

利用扫描隧道显微镜在溶液中直接观测过渡族金属硫属化合物（英文）

本文利用自制的溶液扫描隧道显微镜在溶液环境下直接观测到TiSe2、MoTe_2和TaS_2样品的原子分辨率图像.通过将单晶样品在溶液中直接解理,可以保护解理过的新鲜样品表面在几个小时内不会被严重污染.利用自行搭建的溶液扫描隧道显微镜,首先观察到了TiSe2活泼样品的原子分辨率图像,并观察到了TiSe2表面所特有的点缺陷和三角形缺陷结构.此外,还观察到了MoTe2的原子分辨率超结构和TaS2表面的电荷密度波结构.结果表明:在室温、溶液环境下能更高效的研究过渡族金属硫属化合物等活泼样品的表面电子态结构,同样适用于溶液环境下的电催化和电化学研究.     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示:当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8μm时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。