点缺陷的微观观测方法：STM与HAADF-STEM

在材料科学领域，点缺陷——如晶格中的空位、间隙原子或杂质原子——的存在对材料的电学、光学及力学性能起着决定性作用。然而，要直接“看到”这些原子尺度的微小瑕疵，对表征技术提出了极高的要求。目前，扫描隧道显微镜（STM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）是两种能够对点缺陷进行直接或间接观测的尖端显微技术。

扫描隧道显微镜 (STM)：洞察表面之下的电子态

扫描隧道显微镜（STM）为直接观测点缺陷提供了一种独特途径。其核心原理在于，针尖与样品表面之间的隧道电流直接反映了针尖正下方区域的电子局域态密度（LDOS）。这意味着，STM探测的并非原子核本身，而是原子周围的电子云分布。

这一特性带来了一个非凡的能力：即使缺陷本身位于样品表面之下，只要其关联的电子波函数能够延伸并“渗透”到表面，STM就能够捕捉到这种电子态的变化，从而以衬度的形式将“隐藏”的缺陷成像出来。这为研究近表面区域的缺陷提供了宝贵的非破坏性手段。

图1展示了利用STM对材料亚表面一个砷（Arsenic）相关点缺陷的成功观测。图像清晰地揭示了缺陷存在区域的电子态扰动，证实了STM探测亚表面缺陷的可行性。尽管利用STM进行缺陷研究仍处于探索阶段，但它在各类材料体系中已展现出巨大的应用潜力。

图1 (a) 位于样品亚表面的砷相关点缺陷的扫描隧道显微图像，及 (b) 在缺陷位置测得的局域态密度

高角环形暗场STEM (HAADF-STEM)：原子尺度的直接成像

与STM不同，高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）则是一种致力于实现原子尺度直接成像的强大技术。随着球差校正技术的飞速发展，HAADF-STEM已经能够成功地在单个原子柱尺度上，直接分辨出其中的杂质原子或原子空位。这种能力使其在缺陷识别和结构解析方面具有无与伦比的分辨率优势。

然而，这种强大的观测能力也伴随着解读上的复杂性。HAADF-STEM图像的衬度与原子序数（Z-contrast）紧密相关，但要从图像中得出确凿无疑的结论，例如明确某个亮点是特定种类的杂质原子，或是某个暗区确实是原子空位，往往需要依赖精细、复杂的图像模拟进行比对和验证。没有严谨的理论计算支持，单纯的图像判读很容易导致误判。

因此，要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置和后续的数据模拟分析都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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