第十二章 扫描隧道显微镜.ppt

STM单原子的移动 移动Si Si(111）－7?7表面的Si原子：原子从一个稳态位置到另一稳态位置（移动共价键比金属键困难） STM单原子的移动 Cu（111）表面一个接一个移动C60分子——量子算盘 STM单原子的提取 1991年日本中央研究所：提取MoS2表面上的S原子构成——“PEACE91 HCRL”(字小于1.5nm,至今世界纪录) STM单原子的提取 移动Si(111）－7?7表面的Si原子提取操纵：5.0nm?5.0nm STM单原子的提取 移动Si(111）－7?7表面的Si原子连续提取操纵——特殊结构加工；5.4nm?5.4nm STM单原子的提取 在Si(111）－7?7表面加工Si单原子链（间隔一个原子 ）——长13nm；9.2nm?9.2nm STM单原子的放置 方法： 铅笔法：所放置的原子来源于STM针尖材料。 蘸水笔法：先用针尖从样品表面某处提取一些原子，再将这些原子一个一个放置到特定位置。 钢笔法：寻找一种方法将某种所需原子源源不断地提供给STM针尖，再源源不断地放置到样品表面上去。 STM单原子的放置 钢笔法将Au原子放置到样品表面形成世界地图 直径1mm；比例尺1:1013 STM单原子的放置 Si(111）－7?7表面的单原子缺陷的修复；6.0nm?6.0nm STM单原子的放置 Pt针尖材料在Si(111)-7?7表面加工Pt纳米点 A、B纳米点由1个电压脉冲加工而成，直径1.5nm；C、D由2个电压脉冲加工而成，直径2nm STM单原子的提取再放置操纵 在Si(111)-7?7表面Si原子操纵的提取再放置过程 6.0nm?6.0nm 原子尺度器件应用的可能性 单原子存储器的阅读：用STM或类似装置来实现。 单原子存储器的容量： e.g.1cm2的Si(111)-7?7表面，可存储1015比特点信息（相当于1.3Mb磁盘存储器的7亿6900万倍）。 单原子存储器目前的难题： 单原子操纵和图像扫描速度还太低——不能满足信息存储、删除和阅读到速度； 信息存取的可靠性还太低。 * Surface Engineering Tribology SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY 材料分析与测试技术 Tribology Research Institute SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Tribology Research Institute SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY 概述 扫描隧道显微镜及其应用 第十二章 扫描隧道显微镜 现代分析技术的发展 1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世： 透射电子显微镜（TEM） 扫描电子显微镜（SEM） 低能电子衍射（LEED） 俄歇谱仪（AES） 光电子能谱（ESCA） 电子探针（EPMA）、 x射线光电子能谱（XPS） ……… 现代表面技术的缺陷 低能电子衍射（LEED）及X射线衍射（XRD）等衍射方法要求样品具备周期性结构（晶体）; 光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）的分辨率不足以分辨出表面原子; 高分辨透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相和界面研究 场电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂，研究对象十分有限； X射线光电子能谱(XPS)等只能提供空间平均的电子结构信息； 扫描隧道显微镜概述 1982年IBM公司苏黎世研究所Gerd Binning和Heinrich Rohrer研制第一台扫描隧道显微镜（Scanning tunneling microscope, STM）; 第一次直接观察到物质表面上单个原子及其排列状态，并能研究其相关物理和化学特性; 1986年：诺贝尔物理奖—20世纪80年代十大科技成就之一。 扫描隧道显微镜用途 对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等领域的研究具有重大意义和广阔应用前景。 物理和化学：研究原子间微小结合能、制造人造分子； 生物学：研究细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术； 材料学：分析材料晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度的缺陷； 微电子学：加工原子尺度新型量子器件。 扫描隧道显微镜的原理 主要构成：金属针尖（直径50～100nm）、3维扫描的压电陶瓷（Px、Py、Pz）、扫描和电流反馈的控制器 基本原理：量子隧道效应 利用金属针尖在样品表面扫描，并根据量子隧道效应产生的隧道电流来获得样品表面的图像。 扫描隧道显微镜的原理 Vb为偏置电压(通常2mV~2V)； k为常数，真空条件