格子欠陥
鋭利に尖ったプローブを用いて、原子レベルで結晶表面の格子欠陥を直接観察し、構造、電子状態、反応機構などを解析できる。また、格子欠陥のマニピュレーションなども可能である。
格子欠陥を直接観測する方法としては以下がある。
結晶を構成する要素は空間的な繰り返しパターンに従う場所に位置する時に安定であるが、温度の影響によって異なる場所に移動する確率が発生する。例えば原子が結晶内部の隙間に移動して格子間原子を形成するとともに格子空孔を形成した状態をフレンケル欠陥と呼び、結晶を構成する一組の原子が結晶外部に移動して残された一組の格子空孔をショットキー欠陥と呼ぶ。また、温度の影響によって結晶を構成する異なる原子同士が入れ替われば異種原子となる。真性半導体における伝導電子・正孔対の発生も温度による。
点欠陥を作るのに必要な活性エネルギーは格子間原子より原子空孔のほうが小さいため、温度の上昇とともに増加する点欠陥の大部分は原子空孔である。
結晶は外部環境との間で化学平衡に従う。外部環境において結晶を構成する原子の自由エネルギーが低い場合(例えば分圧が低い場合)、原子が外部に漏出し格子空孔を生成する。例えば多くの酸化物は酸素空孔(酸素の格子空孔)を含んでいるが、この濃度は外部の酸素分圧によって変化する。
欠陥近傍での光の屈折率の変化による光散乱を観察する。