纳米加工技术专题-1.ppt

8.3 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。 STM拍摄的图片 图8-16 STM图片 图8-17 STM 原理 图8-19 STM工作过程演示 STM 图8-18 STM实物照片 扫描器 检测电路 a） 输出 试件 运动轨迹 具体应用 扫描 STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测。 探伤及修补 STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏。 微观操作 引发化学反应 STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。 这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应。 移动，刻写样品 当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。 针尖进行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好坏 纳米神算子——分子算盘 STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。 与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的? 这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。 纳米神算子—— 分子算盘 图8-20 纳米算盘 纳米绘画艺术—— 纳米中国 图8-21 纳米地图 图8-22 纳米围栏 * Telephone:0451 E-mail: spm@hit.edu.cn 纳米加工技术专题 1. 原有扫描探针显微镜 2. 增加三维运动系统 3. 增加加工力伺服功能 8.4 SPM纳米加工系统 * 图8-23 原子力显微镜原理 * Telephone:0451 E-mail: spm@hit.edu.cn 纳米加工技术专题 8.4 SPM纳米加工系统 图8-24 SPM纳米加工系统 * Telephone:0451 E-mail: spm@hit.edu.cn 纳米加工技术专题 8.4 SPM纳米加工系统 图8-25 改进的SPM纳米加工系统 * Telephone:0451 E-mail: spm@hit.edu.cn 纳米加工技术专题 AFM处于接触摸式下，施加垂直载荷。扫描陶管与微悬臂针尖实际上构成一个闭环系统。 8.4 SPM纳米加工系统 图8-26 AFM接触模式测量控制原理图 PI调节器 扫描陶瓷管 微悬臂 PSD检测 偏移量 给定弯曲量 e u * Telephone:0451 E-mail: spm@hit.edu.cn 纳米加工技术专题 8.4 SPM纳米加工系统 三维工作台 （四象限） 位置检测器 激光器 被加工样品 Z向扫描陶管