第四章 原子力显微镜单原子操纵和纳米加工技术.ppt

第二讲 扫描隧道显微镜及其应用 复习主要内容 电子显微镜的原理 扫描隧道显微镜的基本原理 扫描隧道显微镜不同条件下的应用 电子显微镜的原理 STM的基本原理图 STM扫描模式示意图 扫描隧道显微镜不同条件下的应用 大气和室温条件 超真空和室温条件 超真空和高温条件 超真空和低温条件 溶液条件 4 扫描隧道显微镜单原子操纵和纳米加工技术 单原子操纵 （1）原理 （2）单原子移动 （3）单原子提取 （4）单原子放置 原子操纵的原理 STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子或分子。最简单的方法是将针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上的原子 “电子云”重叠，有的电子为双方共享，就会产生一种与化学键相似的力。在一些场合下，这种力足以操纵表面上的原子。但是，为了更为有效地操纵表面上的原子，通常在针尖和表面之间加上一定的能量，如电场蒸发，电流激励，光子激励等能量方式。 STM单原子操纵原理图 单原子操纵 单原子操纵主要包括三个部分: 单原子移动（displacement） 单原子提取（extraction） 单原子放置（deposition） 这些技术是今后应用单原子操纵在表面上进行原子尺度的结构甚至器件加工所必须的。 应用前景 利用STM进行原子表面修饰和单原子操纵，具有十分广泛的应用前景。它已经在制作单分子、单原子和单电子器件，大幅度提高信息存储量，生命科学中的物种再造以及材料科学中的新原子结构材料的研制等领域中都有很重要的应用前景。 （1）单原子移动 1990年，美国 IBM公司 Eigler研究小组在超高真空和液氦温度（4.2K）条件下的STM成功地移动（displace）了吸附在 Ni（110）表面上的惰性气体Xe原子，并用 35个Xe原子排列成“IBM”三个字样。 移动氙原子 移动铁原子 1993年，Eigler等进一步将吸附在Cu（111）表面上用48个Fe原子逐个移动并排列成一圆形量子栅栏。这个圆形量子栅栏的直径只有14.26纳米，而且，由于金属表面的自由电子被局域在栅栏内，从而形成了电子云密度分布的驻波形态。这是人类首次用原子组成具有特定功能的人工结构，它的科学意义无疑是十分重大的。与此同时，他们还在Cu(111)表面上成功地用101个Fe原子写下“原子”二个迄今为止最小的汉字。 移动铁原子图片 移动分子 用STM也可以移动吸附在样品表面上尺度较大的分子。下图是在 Cu（111）表面上移动C60分子的一个实例。研究人员用STM针尖一个接一个地将C60分子有序地移动，其操作过程就像拨打中国的算盘珠子。不过作为算盘珠子的C60分子实在是太小了，只有 0.7nm。 移动C60分子 （2）单原子提取 Si原子的提取 单原子提取的机理 （3）单原子的放置 STM不仅可以在电场蒸发的作用下移走表面上的单个原子，它也可以在电场蒸发的作用下将单个原子放置到表面上任意预定的位置。 单原子放置方法的形象分类 （1）铅笔法：所放置的原子直接来源于STM针尖的材料； （2）蘸水笔法：先用针尖从样品上的某处提取一些原子然后再将这些吸附在针尖上的原子一个一个地放置到所需的特定的位置上去； （3）钢笔法：这种方式则是寻找一种方法将某种所需的原子源源不断地供给到STM针尖上，再源源不断地放置到样品表面上去。 铅笔法放置原子 蘸水笔法放置原子 放置与提取 钢笔法放置原子 纳米尺度结构的加工 STM以其原子的分辨率不但为我们揭示了一个可见的原子和分子世界，它也已经成为单原子及单分子操纵和纳米尺度结构加工的重要工具。 前面我们详细地讨论了STM在单个原子操纵方面所取得的研究进展。 下面我们将讨论STM在纳米尺度结构加工中的应用。 纳米尺度结构的加工是纳米电子学的基础，也是纳米技术的一个最重要的组成部分。在今后的纳米电子学应用中，最重要的纳米结构主要包括纳米尺度的金属或半导体细线（用于器件间的连接）和氧化物细线（用于构成器件中电子流动的势垒和器件间的隔离或绝缘），它们也统称为纳米细线（nanowire）。纳米细线的加工是未来的纳米电子器件加工以及它们的集成所必须的关键技术。对纳米细线的研究已经有近十年的历史，但真正形成研究的热潮，还只是近几年的事。 Ga纳米细线 Pb纳米细线 其它纳米细线材料 纳米碳管 砷化镓 碲化镉 等等 原子尺度器件应用的可能性 早在1959年，著名物理学家Feynman曾对未来的物理学作了一个精彩的预言：当人类能在原子的尺寸上进行操纵时，我们将得到具有大量独特性质的物质，能够做许多与现在不同的事情… ，如果能够在原子和分子水平上制造材料和器件，就会有许多令人激动的崭新发现。 Xe(氙)单原子开关 1990年，Eigler研究小组使用 STM成功地移动了吸