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≥99—-物理学进展
≥99—
第 2O卷 第 3期 物 理 学 进 展 Vo1.20,No 3
2000年 9月 PRoGRESSIN PHYSICS Sept.,2000
文章编号 :1000-0542(2000)03-0234-09
STM 图像 的理论模拟
李群祥 杨金龙 赵瑾 侯建 国 朱清时
(中 放实验室.台肥230026)丁^,f6
7J
摘 要: 本文简要综述了STM基本理论和模拟方法,着重介绍了我们的一些工作,构造
团簇模型和采用第一性原理方法(DV-LlDF),模拟出不同取 向 ( 和它吸附在金属和半导体
表面的STM 图像 ,理论模拟结果都反映出了STM实验图像的主要特征。
关键词 : STM图象;模拟;c60;吸附取向
中图分类写■石 —i献标 吾■A 磁
0 前言
1982年,IBM公司瑞士苏黎世实验室的科学家 Birmig和 Rohrer及其同事利用量子
隧道机理研制 出了第 一架扫描 隧道显微镜 (ScanningTunnelingMicroscope,简称
STM)。它的出现使人类第一次能够实时观察到单个原子在衬底表面的排列状态和表丽
电子行为有关的物理和化学性质。STM对许多学科的研究有着重大的意义和广阔的应
用前景 ,被国际科学界认为是八十年代世界十犬科技成就之一 ,Binnlg和 Rholr~r也西此
而获得了 1986年诺贝尔物理学奖。STM 不仅提供样品表面形貌 的三维实空间原子级分
辨率 的图像 ,给出表面的局域电子态密度和局域功函数等信息,还可进行原子尺度操控 。
正是 由于 S1M 具有这些优越特性 ,使它成为在表面科学,纳米科技,介观物理 以及生
物 ,化学上强有力的研究工具 。譬如 ,澄清了二十余年 Si(ii1)表面(7,7)再构的悬案;
将这些 Xe原子排成 “IBM”字样 ;进行 Si表面萃取和填补单个 原子;制作出单原子和分
子器件;制备出量子围栏 ;研究单电子隧道贯穿 、库仑阻塞及电导量子化等Li-3]。
STM探测到的是费米能级附近样品和针尖耦台体系的电子结构信息,丽不是直接给
出表面原于的形貌 图,使如何解释 S1M 图像成为一个很重哥的问题。例如在 S1M 图像
中石墨表面的碳原子只能观察到一半 ,STM 图像与表面原予位置没有直接 的对应关
系_|。氧原子吸附在金属表面时它 的sTM 图像为一向下陷的 “洞”,这说 明针尖的垂直
方 向的位置并不对应样品表面原子 (或吸附原子)的胡应位置 J。利用不 同针尖观察到
收稿 日期 :23[00-07-05
基金项 目:国家 自然科学基金资助项 巨
3期 李群祥等:STM图像的理论模拟
的实验 图像呈现明显的差异 ,电负性较大的杂质原子吸附在针尖顶端 ,引起针尖态的非
对称性 ,导致隧道 电流的非对称性L5』。Xu等人在不同浓度 的 (30环境下观察 NO吸附在
Rh(111)表面时体系的图像 ,利用干净针尖观察到的STM 图像为环状 ,而利用被 CO污
染过的针尖来观察时,体系图像呈亮球状_6J。利用干净金属针尖不能观察到石墨表面缺
陷具有三重对称性的STM 图像 ,利用吸附有 C60的针尖 ,却可以观察到这一实验现象_7J。
为了更好地理解和解释实验上观察到的STM 图像 ,对隧道电流和STM 图像进行理论计
算显得非常必要。
计算 STM 中针尖与样品间的隧道电流一般分两步 ,先利用凝胶模型,紧束缚方法或
第一性原理等不同近似程度的计算方法算出研究体系的电子结构 ;再计算 隧道电流。早
期关于 电随计算采用的是Simmons的一维隧道穿透理论,常把它作为描述三维隧穿
的理想模型。现在最流行 的是 Tersoff-I-Iamann模型_8J,当针尖与样 品间的互作用较弱
时,在低温和小偏压条件下,他们用 Bardeen的一级微扰理论_9J来计算隧道 电流。将
STM针尖看成点源 ,其渡函数就可近
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