纳米技术与系统3-2单原子操纵 - 浙江大学光电系.ppt

静电感应、静电极化 ? ? 单原子操纵可能的物理化学机理： a) 间距较大时（?0.6 nm），取决于纯电场 与纯电流效应的作用。 b) 针尖—样品间距较小时（? 0.4 nm）， STM针尖与样品表面之间的化学相互作 用起主导 作用，隧道电流很大、电子云 叠合。 目前较普遍的单原子操纵方法是，在STM的针尖和样品表面施加一个适当幅值（几伏）和脉宽（数十毫秒）的电压脉冲。由于间距非常近（0.3~1.0 nm），将在针尖和样品之间产生一个强度为109~1010V/m的强大电场，吸附在样品表面上的原子将会在强电场的蒸发下被提取和移动；同样，吸附在针尖表面上的原子也可能在强电场的蒸发下而沉积到样品表面上，实现单原子的放置操纵。 移动单个原子所需的力 《钱江晚报》2008年2月25日A14版 图 6.10 Si(111)-7?7表面上单个Si原子的提取与操纵 A Si atom was extracted from the Si(111) 7×7 surface using a W tip. The extraction was made by applying a voltage of -4V to the sample for 10 ms at a tunneling current of 0.6 nA. 6.3 用于单原子操纵的低温STM系统 图 6.12 A picture of LT-STM 为什么要低温？ 绝对零度？ 原子、电子 电子的自旋运动不能被冻结，因此， 所有物质的温度 绝对零度 液氦 液氢 液氮 液氧 干冰 ? 几种液态物质的温度 －268.8 ?C 4.2 K －253 ?C 20 K －196 ?C 77 K －183 ?C 90 K －78.5 ?C 194.5 K Room temperature Liquid He Dilution refrigerators Doppler cooling Pol grad cooling 激光冷却 俘获原子 朱棣文 （Steven Chu） 朱棣文：1997年诺贝尔物理学奖 LT—STM的主要性能 Resolution：0.5?(X,Y), 0.05?(Z) Scan Range (X, Y) ：5μm, 2.5μm or 1.5μm Tunneling Current：1pA to 100nA (IVP-200) Cooling -LN2：Room temp to 100 K Cooling –LHe：Room temp to 30 K Vacuum Range：1×10-11 Torr 常用压强单位换算表 台风？ 6.4 多重针尖与单原子针尖 理论上，用于原子图像测试与单原子操纵的STM针尖, 应尖锐到只有一个原子。 ? 单原子针尖 —— 针尖只有一个原子； Nano-tip ? 多 重 针 尖 —— 包含多个针尖原子，但其中 总有一个原子最突出。 Multi-tip or Mini-tip 单原子针尖——针尖只有一个原子 ! 单原子针尖扫描获得的原子图象 多重针尖——包含多个针尖原子， S 但总有一个原子最突出。 ? 多重针尖与单原子针尖 均可用于扫描原子图象 Why 3-22 图 6.15 多重针尖与隧道电流——等同于单原子针尖 1 3 2 4 90~99% of current Vb 扫描测试原子图像时，隧道电流起主导作用 It ? Vbexp（-A?? S） It＝?（It1+ It2+ It3+ It4 …）= It1 主原子隧道电流 占主导作用 50/72 E ? Vb ? S，E ? E1 ? E2 ? E3 ? E4 ? … 图 6.16 多重针尖与电场——不等同于单原子针尖 3 2 4 Vb 1 S ? 电场强度可比拟 ～109 V