修订版Mod。物理学。84、1343（2012）-用局部探针成像物理现象：从电子到光子

用局部探针成像物理现象：从电子到光子

Dawn A.Bonnell、D.N.Basov、Matthias Bode、Ulrike Diebold、Sergei V.Kalinin、Vidya Madhavan、Lukas Novotny、Miquel Salmeron、Udo D.Schwarz和Paul S.Weiss

修订版Mod。物理学。84，1343–2012年9月26日出版

摘要

扫描隧道和原子力探针的发明通过以原子空间分辨率提供关于表面几何和电子结构的真实空间信息，彻底改变了我们对表面的理解。然而，纳米探针尖端和表面的连接处包含的信息比传统隧道和原子力测量所固有的信息多得多。这篇综述总结了在重要科学问题背景下推动探测功能在纳米尺度空间分辨率极限的最新进展。重点介绍了分子界面接触、超导电性、电子自旋、等离子体场聚焦、表面扩散、键振动和相变等问题，作为局部探针阐明复杂功能的例子。考虑了主要类别的局部探针，包括电磁性质、电子关联、表面结构和化学、光学相互作用和机电耦合。

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收到日期：2010年9月23日

内政部：https://doi.org/10.103/RevModPhys.84.1343

作者和附属机构

道恩·A·邦内尔

美国宾夕法尼亚州费城宾夕法尼亚大学纳米/生物界面中心和材料科学与工程系，邮编：19104

D.N.巴索夫

美国加州大学圣地亚哥分校物理系，邮编：92093

马提亚斯·博德

德国乌尔兹堡实验物理大学

乌尔里克·迪博尔德

奥地利维也纳维也纳理工大学应用物理研究所

谢尔盖·V·加里宁

美国田纳西州橡树岭37831橡树岭国家实验室纳米材料科学中心

维迪亚·马德哈万

美国马萨诸塞州Chestnut Hill波士顿学院物理系02467

卢卡斯·诺沃特尼

美国罗切斯特大学光学研究所，罗切斯特，纽约14627

Miquel Salmeron公司

美国加利福尼亚州伯克利市劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部，邮编94720

乌多·施瓦兹

美国康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学机械工程与材料科学学院，邮编：06520

保罗·魏斯

美国加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所、化学与生物化学系、材料科学与工程系，加利福尼亚州洛杉矶市，邮编：90095

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问题

第84卷，第。2012年7月至9月

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Access选项

图像

图1
从长度尺度、时间尺度以及属性和响应函数的复杂性方面对各种探针的能力进行示意性表示。重用权限（&P）
图2
（a）扫描隧道显微镜和（b）原子力显微镜的一般原理。在STM中，金属探针尖端靠近导电样品，形成用于控制分离和相互作用的电路。在AFM中，尖端通常安装在悬臂上，尖端和表面之间的力通过悬臂的机械特性进行监测。尖端和平面的接合处包含有关电子电磁、光学、热和化学特性的信息。通过用各种扰动刺激连接并量化响应（c），可以获得这些特性。[（c）由斯蒂芬·杰西提供]。重用权限（&P）
图3
（a）缺陷的扫描电导图像 ${总部}_{2}$ 硅衬底上的薄膜，显示增强电流的亚纳米空间分辨率( $\sim 5 个人账户$ )缺陷和（b）将实验尖端压缩条件与硅中应变诱导的传导变化联系起来的机制图243.重用权限（&P）
图4
纳米阻抗光谱学。NIM配置示意图。尖端在（a）垂直或（b）横向配置中充当电极。（c）一种简单的顶面结等效电路。局部阻抗谱的两个例子，（d）一个在电流路径中具有多个接口，（e）一个具有单个接口。（a） –（c）自303; （d），（e）来自252.重用权限（&P）
图5
调制尖端偏置技术的复杂特性。（a）具有缺陷的单个纳米管的扫描阻抗图像，其中对比度与每个单个缺陷的价带能量有关。发件人89（b）对比桥接增强纳米阻抗显微镜振幅和相位图像（左）与未校正NIM（右），显示灵敏度提高了五个数量级。发件人266（c）单层和双层紫色膜的地形图（顶部）和单频电容（底部）。发件人93.重用权限（&P）
图6
扫描表面电位和开尔文力显微镜。（a） –（c）单分子层的电位测量；（d），（e）随电荷产生的电位变化。（a）石墨上锌卟啉组装单层结构的nc-AFM图像。（b）地形结构和（c）表面电位的比较。（d）聚合物混合物无光照明和（e）有光照明时表面电位的比较。（a） –（d）自242.（e），（f）自52.重用权限（&P）
图7
（a）非接触AFM地形图像，区域 $10 \times 8 {纳米}^{2}$ , $Δ （f） ≅ 121 赫兹$ , ${A类}_{第页 - 第页} ≅ 28 纳米$ , ${（f）}_{0} = 70 千小时 z（z）$ , ${（f）}_{国防部} ≅ 452 千小时 z（z）$ ，以及 ${U型}_{交流电} = 0.3 V（V）$ .（b）同时记录的电位。（c）地形和潜力的平均孪晶横截面，如（a）和（b）中的方框所示。（d）（a）–（c）中AFM尖端追踪的示意快照序列：从左到右，以及（d）–（f）：从右到左。实验记录的横截面图的切口分别叠加到（d）–（f）和（a）–（c）中的模型上。双箭头表示关键的静电尖端-表面相互作用。发件人79.重用权限（&P）
图8
中的高次谐波检测 $秒$ -NSOM用于确定介电函数，如散射 $秒$ -石墨-卟啉样品的四个频率的偏振光。比较了分子单层岛的剖面（顶部）。计算三次谐波（中间）下介电函数的图像对比度，可以将散射变化（右图像）与特性联系起来。发件人242.重用权限（&P）
图9
扫描非线性介电显微镜示意图，说明在尖端-表面接合处包含谐振器。发件人325.重用权限（&P）
图10
在nc-AFM中，原子分辨率在（a）地形图像中实现，即 $ε (4)$ 反馈信号与非线性介电常数图像 $ε (三)$ 熟悉的Si（111）-( $7 \times 7$ )表面用于演示分辨率。硅原子的位置与 $ε (三)$ 信号。这意味着这里探讨了硅键的原子极化。发件人325.重用权限（&P）
图11
（a）石墨基底上的图案化肽示意图，光入射到尖端-表面接合处。（b）光学照明对单层含卟啉肽的电容的影响以2D和3D直方图示出。插图中顶部的3D直方图显示了带照明的属性，底部没有照明。在2D直方图中，右侧的曲线有照明，左侧的曲线没有曝光。 $λ = 425 纳米$ .来自172.重用权限（&P）
图12
聚合物混合太阳能电池中的电荷动力学。（a）样品通过透明基板从底部照明。（b） EFM信号在灯光关闭后进行监测，（e）绘制每个像素的指数衰减常数。（c）这与量子效率相比。（d，e）地形图像和充电率图像。发件人56.重用权限（&P）
图13
左图：反应堆单元内STM扫描头的照片和示意图。发件人39右：反应堆内Pt（110）表面的STM图像，气体环境为1.6 atm ${H（H）}_{2}$ 和1个atm ${O（运行）}_{2}$ 晶体表面分别重建为缺失的行、刻面和台阶聚束。发件人221.重用权限（&P）
图14
（a）照片 ${锡氧化物}_{2}$ 单晶。（b）中显示的（101）表面特别有趣，因为它可以以完全氧化和还原的形式可逆地生成，使其成为研究化学传感相关过程的理想模型系统。（c）的SEM图像 ${锡氧化物}_{2}$ “纳米带”。纳米带的宽边有（101）个方向。（d）的STM图像 ${锡氧化物}_{2}$ 不同放大倍数的纳米带。发件人23.重用权限（&P）
图15
（a）示意图 ${C类}_{2} {H（H）}_{2}$ 分子吸附在Pd（111）和相关STM图像上。下面显示的是一个计算图像，显示了分子轨道结构对隧道电流的调制。电子隧穿可以使分子在其三倍的中空位置旋转。（b）非弹性电子隧穿谱由304在 ${C类}_{2} {H（H）}_{2}$ Cu（100）上的分子。CH拉伸振动模式激发引起的隧道概率变化是可见的。重用权限（&P）
图16
金红石 ${氧化钛}_{2} (110)$ 表面已成为氧化物表面科学中研究最多的系统之一，STM测量有助于理解该系统。氧空位（点缺陷）很容易通过溅射和退火产生。这些导致了带隙中的缺陷状态，在光电发射中可见。在空态STM图像中，氧空位显示为（突出的）行之间的突出物 $钛_{5 c（c）}$ 原子；表面羟基（OH）部分有点突出。改编自66.重用权限（&P）
图17
水在非极性ZnO（1010）表面上的吸附。在最低能量状态下，所有其他分子都被解离。这样的配置会导致饱和覆盖层( $2 \times 1$ )周期性。A类( $1 \times 1$ )覆盖层的每一个水分子都完好无损，能量非常接近。（a）两种结构的原子模型。（b） STM图像显示了一排排水分子( $2 \times 1$ ), ( $1 \times 1$ )，或“中间”（IM）配置；（c）每种情况下的线轮廓。（d）这两个结构之间的估计过渡路径。注意，活化能相当小（0.05 eV）。在室温下，水在这两种状态之间来回切换；如果切换发生得比STM测量的采样时间更快，则观察到明显的IM结构。发件人70.重用权限（&P）
图18
铜酸盐LDOS调制的傅里叶变换显示来自 $d日$ -波库珀对。（a）这些激励仅在 $k个$ （b）中白色阴影区域中的空格。超越 $k个$ -空间线连接 $第页$ ，0到0， $第页$ ，状态不是 $d日$ -波库珀对，但局限于 $第页$ 空格如（c）所示。发件人184.重用权限（&P）
图19
掺铁拓扑的扫描隧道显微镜数据 ${Bi公司}_{2} {Te公司}_{三}$ （a），（b） $d日我 / d日 V（V） (第页, E类)$ 显示干涉图案的地图，插图显示了相应的傅里叶变换。（c），（d）与（a），（b）中插入的数据相同，但被傅里叶变换除 $+ 60 百万电子伏$ 小范围删除非分散功能 $q个$ 向量。这个 $q个$ 向量沿 $L（左） K（K）$ 在以前的样品中没有报道过没有时间反转对称破缺杂质。（e）恒定能量等高线示意图，显示了产生初级的嵌套区域 $q个$ 在STM中观察到的低能量矢量 $L（左） K（K）$ 以及更高的能量 $L（左） M（M）$ .来自253.重用权限（&P）
图20
（a）自旋极化STM的示意图。自旋极化隧穿导致尖端样品距离取决于尖端和样品的相对磁化方向。（b）地形和（c）磁性 $d日我 / d日 U型$ 在300 K下用镀铁探针测得的Cr（001）表面图。螺钉（箭头）和边缘错位（箭头标记的一个示例）可在（a）中识别。隧道参数为 $我 = 三美国国家航空公司$ 和 $U型 = - 0.7 V（V）$ 至于其他单原子台阶边缘，由于Cr（001）的层状反铁磁结构，边缘位错导致磁对比度的变化。通常，在两个螺位错之间，例如（b）中的两个箭头之间，会发现畴壁。发件人38.重用权限（&P）
图21
（a）用镀铁尖头测量W（110）上锰岛的地形。沿[001]方向的线表示顺时针的反铁磁序。（b）更高放大率的图像显示，波纹不是恒定的，而是经过调制的。（c）沿（b）中方框取的平均线段（点）。（d）反铁磁摆线自旋螺旋的示意图。发件人38.重用权限（&P）
图22
自旋弛豫时间的测量。（a） Fe-Cu异二聚体和Cu吸附原子的STM地形图。（b）二聚体和两种控制结构的电压泵保护测量：用非旋极化尖端探测的二聚体；用自旋极化尖端探测的非磁性原子。在区域I中，探头位于泵之前；在区域II中，泵和探针重叠；在区域III中，探针跟随泵并检测到任何后激励。Fe-Cu二聚体的弛豫时间为 $87 \pm 1 纳秒$ .来自206.重用权限（&P）
图23
（a）石墨烯中的声子介导隧穿。发件人359（b）单个磁性Mn原子和三个原子簇中自旋激发的磁场依赖性。（c）在插图中显示间隙状态的状态密度。（d）单个Mn原子和Mn三聚体电导谱的温度依赖性。发件人133.重用权限（&P）
图24
检测到的模式能量分布 ${d日}^{2} 我 / d日 {V（V）}^{2}$ Bi-2212晶体的成像 ${}^{16}{O（运行）}$ 和 ${}^{18}{O（运行）}$ .（a）绘制的模式能量2D直方图与相关的能隙值 $D类$ 对于Bi-2212晶体 ${}^{16}{O（运行）}$ 和 ${}^{18}{O（运行）}$ （b）作为超导电子结构的一部分，这里检测到的模式涉及氧原子的振动。检测到的模式能量分布 ${d日}^{2} 我 / d日 {V（V）}^{2}$ 成像。发件人199.重用权限（&P）
图25
nc-AFM单原子化学鉴定。该示意图说明了操作模式，尖端以其共振频率振荡，并通过与衬底原子的相互作用力进行修改。右下角的图像是由Si、Sn和Pb原子以相等比例混合在Si（111）衬底上的表面合金的原子分辨形貌。发件人313.重用权限（&P）
图26
$1750 \times 810 {下午}^{2}$ 石墨上的3D力显微镜，显示了一些可以同时记录的各种信息通道(三,4;24). （a） $x个 − 年$ 在恒定高度切割3D力数据。图中的平均吸引力为 $- 2.306 无$ 总波纹力约为70 pN。（b） $x个 − 年$ 与（a）中相同高度的表面势能数据。平均能量为 $- 5.47 电子伏$ 总波纹度为 $\sim 38 百万电子伏$ （c）沿（a）中绘制的线的二维横截面，显示样品的表面力场如何延伸到真空中（高度220 pm）。为了增强对比度，已经减去了每个高度处的平均力。轮廓线表示每个高度的力差为8 pN。（d）振荡期间耗散的能量图。色标从250 meV（暗）扩展到295 meV（亮）。（e）最近进近过程中作用在叶尖上的侧向力绝对值图。横向力在0和120 pN之间。（f）放大（e）中突出显示的区域，其中横向力的方向和强度由矢量表示。注意，在（b）和（e）中，碳原子的位置用示例性的六方环标记4.重用权限（&P）
图27
化学特异性和空间分辨率之间的权衡。化学特定技术（NMR、IR、Raman）与高分辨率技术（STM、AFM）的结合为提供高信息分辨率产品的测量提供了希望。改编自57.重用权限（&P）
图28
衍射光学显微镜和近场光学显微镜的比较。（a）衍射极限示意图显示了两个散射体的最小可检测间隔。（b）孔径扫描近场显微镜示意图。在一级近似下，分辨率由孔径大小定义，而不是由激励辐射的波长定义。重用权限（&P）
图29
单壁碳纳米管的近场拉曼成像。（a）显示单个催化剂颗粒和隐藏的碳纳米管的地形图。（b）碳纳米管的近场拉曼散射光谱。（c）的近场拉曼图像 $克$ -波段强度，（d）环形呼吸模式（RBM）强度，和（e） $D类$ -波段强度。同时采集所有图像。RBM频率 $259 {厘米}^{- 1}$ 将该管标识为直径为0.9nm的（8.5）纳米管。这个 $D类$ -能带强度与碳纳米管结构中的缺陷有关。（e）纳米管受到较大催化剂颗粒的局部扰动。重用权限（&P）
图30
散射扫描近场红外纳米显微镜示意图（未按比例）。该设备的基本构造块是AFM。AFM的尖端由红外激光照亮。散射信号使用干涉方案进行登记，从而能够直接测量散射光的振幅和相位。干涉检测对于生成无地形伪影的光学常数局部值图像至关重要。重用权限（&P）
图31
在莫特转变临界温度范围内拍摄的红外快照图像 ${VO（旁白）}_{2}$ 从绝缘体到金属的转变是通过温度诱导的生长和最初分离的金属水坑的合并进行的。发件人270.重用权限（&P）
图32
（a）压电响应力显微镜（PFM）测量示意图。施加在与表面接触的SPM尖端上的偏压会在材料（b）内产生电场，该电场会因压电或更复杂的机电耦合而产生应变。非均匀应变导致SPM尖端偏转检测到的表面变形。（c）功能材料中的机电耦合。实线对应纳米压痕和原子力显微镜的估计极限，而虚线对应通过仪器开发可以达到的极限，包括共振增强模式、低噪声光束偏转定位系统和高稳定性平台。发件人169.重用权限（&P）
图33
（a） AFM探针对电场的限制使得能够在无缺陷体积内或在与缺陷的给定间隔内探测偏压诱导的相变。发件人156彩色图（b）示出了锆钛酸铅外延膜中的无序电位。（c），（d）多铁性体中的单一缺陷 ${氧化铋}_{三}$ 根据a（e），（f）磁滞回线上的成核偏压和精细结构特征确定。发件人170.重用权限（&P）
图34
（a）畴壁电导 ${氧化铋}_{三}$ 薄膜。（b）掺钙中Tip诱导的金属-绝缘体转变 ${氧化铋}_{三}$ （c）同时测量偏压诱导应变和尖端表面电流，说明极化开关和传输之间的完美关联。双峰是由于缺陷的存在，在 $\sim 10 %$ 例。（d）高压写入和低压读出的结合实现了非易失性数据存储。发件人353和216.重用权限（&P）
图35
数据采集和处理。（a）铁电开关是由增加直流偏置的脉冲串引起的，而压电响应、接触刚度和耗散的变化是通过激励悬臂梁在其接触共振（b）、（c）附近的窄带上来测量的。通过点网格（d）测量铁电滞后，得到空间分辨率4D数据集，其中每个点代表悬臂梁沿局部滞后环（e）、（f）的共振响应。谐振响应（振幅和相位）通过简单的谐振子模型得出谐振振幅、谐振频率和 $问$ 系数（g）作为直流偏压的函数。发件人153.重用权限（&P）