隨著金剛石在高功率電子器件、量子傳感、場發(fā)射器件以及掃描隧道顯微鏡（STM）探針等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化，硼摻雜金剛石（IIb型金剛石）已成為關(guān)鍵功能材料之一。硼摻雜不僅賦予金剛石可調(diào)的電學特性，其在晶體表面和近表層的空間分布均勻性，更直接影響器件的電子穩(wěn)定性、探針成像一致性以及量子與場發(fā)射性能。
然而，現(xiàn)有的硼含量表征手段，如 FTIR、SIMS、拉曼光譜或 XPS，多以宏觀或平均信息為主，難以分辨納米尺度上的局域摻雜起伏。這一限制在 STM 探針制備等應(yīng)用中尤為突出，因為實際參與隧穿的有效區(qū)域尺寸往往小于 1 nm，對局域電子結(jié)構(gòu)極為敏感。
近日，烏克蘭國家科學院超硬材料研究所與德國慕尼黑工業(yè)大學（TUM）等機構(gòu)的研究團隊，提出了一種基于半導(dǎo)體金剛石探針的差分掃描隧道顯微（STM）拓撲方法，實現(xiàn)了對硼摻雜金剛石表面相對硼分布的納米級定量成像。相關(guān)成果以“Relative distribution of boron on boron-doped diamond surfaces studied by STM with a semiconducting diamond tip”為題，發(fā)表于 Diamond & Related Materials 期刊。
該方法的核心思路是：在恒電流 STM 模式下，對同一區(qū)域在兩個非常接近的偏壓條件下進行掃描，并對所得形貌圖進行差分處理。由于真實表面形貌在兩次掃描中基本一致，差分后形貌信息被抵消，剩余信號主要反映由偏壓變化引起的隧穿電流差異。在重摻硼金剛石中，隧穿電流與局域態(tài)密度密切相關(guān)，而局域態(tài)密度又與硼摻雜水平近似成正比，因此差分信號可直接表征表面硼摻雜的相對分布情況。
研究中使用的 STM 探針同樣由高濃度硼摻雜金剛石制成，相比金屬探針，其在極小隧穿距離和低電流條件下仍具備良好的穩(wěn)定性和分辨率，為精細測量提供了保障。
在對 HPHT 法生長的 IIb 型金剛石樣品進行對比研究后，團隊發(fā)現(xiàn)：
{100} 晶向金剛石表面硼分布明顯不均，局域起伏可達 25–30%；而 {111} 晶向樣品的硼分布更為均勻，起伏通常低于 10%。
同時，在所研究的硼濃度范圍內(nèi)，提升整體摻雜水平并未顯著改善表面均勻性，表明硼分布差異主要受晶向相關(guān)生長機制控制。研究還觀察到，不同晶向在拋光磨痕深度上存在差異，進一步印證了金剛石表面在力學和電子性質(zhì)上的各向異性。
總體來看，該差分 STM 方法為硼摻雜金剛石表面均勻性的快速、非破壞、納米級評估提供了一種新工具，對金剛石 STM 探針篩選、量子與場發(fā)射器件設(shè)計以及高一致性功能金剛石材料開發(fā)具有重要參考價值。
圖1. (a) 采用HPHT法生長并經(jīng)差分掃描隧道顯微鏡形貌檢測的合成IIb型金剛石單晶（5–10克拉）。(b) 在紫外光照射下，從(a)所示晶體切割而成的厚度為0.5毫米的平面平行金剛石薄片。
圖2. 機械拋光硼摻雜金剛石表面的彩色編碼二維掃描隧道顯微鏡圖像（1×1 μm2，20×）。(a, b) 立方{100}生長區(qū)；(c, d) 八面體{111}區(qū)。體硼濃度：(a, c) (2.0 ± 0.2) × 103 cm3；(b, d) (3.8 ± 0.2) × 102? cm3。溝槽深度：{100}區(qū)段為15–45 nm；{111}區(qū)段為5–30 nm。
圖3. 硼摻雜金剛石表面區(qū)域的彩色編碼三維掃描隧道顯微鏡圖像（對應(yīng)圖2(a,c)所示區(qū)域）：(a,b)對應(yīng)立方{100}區(qū)段，(c,d)對應(yīng)八面體{111}區(qū)段。每組圖像中的圖像分別在不同隧道電壓下獲得：V? = 100 mV（a,c）和V? = 110 mV（b,d）。隧道電流I 每組圖像分別在不同隧道電壓下獲得：V? = 100 mV（a, c）與V? = 110 mV（b, d）。所有圖像的隧道電流均為I = 0.1 nA。經(jīng)傅里葉變換紅外光譜測定，兩樣品的體硼濃度均為(2.0 ± 0.2) × 102? cm?3。，該值由傅里葉變換紅外光譜法測定。
