微纳米科学技术导论 教学课件 ppt 作者 贾宝贤 李文卓 编著3 分子操纵技术.ppt

STM 单原子操纵原理图 以原子为起点设计的精密运动控制器 第 3 章习题 2.蘸水笔法 用W针尖从Si样品表面上提取Si原子并移至所期望的位置后，施加适当的电压脉冲就可以将提取的Si原子逐个放置到表面上所期望的位置。这是用蘸水笔法放置原子的通常方法。事实上，由于吸附在W针尖上的Si原子可以在适当电场的作用下不断扩散到针尖的最顶部，然后在电场的蒸发下从针尖上重新放置到样品的表面上。这是因为针尖最顶部的Si原子所受的电场强度远远大于位于平坦表面上的Si原子，它们总是先于表面上的Si原子而被蒸发并被放置到表面上来。另外，吸附在针尖最顶部的Si原子也要比W针尖上的W原子更容易被蒸发，因为W原子的电场蒸发阈值远大于Si原子。 2.蘸水笔法实例 下图是用蘸水笔法放置单个Si原子的一个实例。图中用十字号指示的白点是加到表面上的Si原子。 图片尺寸为5mn×5nm。 蘸水笔法修补 单原子放置技术不仅可以将单个原子放置到样品的表面上，它也可以将单个原子放入表面上的单原子缺陷中去。如下图，实验时，将吸附有Sj原子的W针尖分别置于Si表面上每个Si单原子缺陷的上方然后再分别向缺陷内放置单个Si原子而修补表面上的缺陷。从图中不难看出，图(a)中箭头所指的五个单原子缺陷在图 (b)中已经分别被放置的单个Si原子所修补。 图片尺寸为6nm×6nm。 蘸水笔法还原 再看一组图像，其中图(a)是原子操纵前的图像；图(b)是用STM连续放置3个Si单原子所构成的单原子链，而图(c)则是将图(b)中构成单原子链的3个Si单原子再移走后的图像。重要的是Si原子链被再移走后的图(c)和原子操纵前的图(a)完全一样。这表明在进行了一系列单原子操纵后并没有破坏材料表面上原始的原子结构。这也说明目前在Si表面上进行的单原子操纵技术已经达到了很高的控制程度；特别是利用STM加工的原子结构具有“可修改性”，这是其他器件制备方法所无法具备的。 图片尺寸为6nm×6nm。 3.钢笔法 用钢笔法在Si表面上加工异质原子结构。在充有一定氢气的条件下，当在针尖和表面之间施加一定的电压偏压时，氢气分子(H2)会在强电场的作用下分离成氢原子(H)并沉积吸附在Si表面上。图中的三角形结构是用加有+3.5V偏压的针尖沿三角形方向扫描而形成的。这种原子放置过程是先将H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。 单原子操纵小结 我们了解了Si原子操纵研究的进展。这些单原子操纵过程从某种意义上来讲可以满足单原子存储器的信息存储功能。正如我们所知，作为一个存储器，它必须满足以下几个最基本的功能。首先，它必须能够写入信息；其次，它必须能够删除已写入的信息；最后，它还必须能够阅读信息。而且，一个存储器还必须能够抗信息的噪音以保证所存储的信息不会失真。 单原子操纵的实验结果能够满足存储器的这些最基本的功能：这里有两种可能；第一种可能是用表面上单原子的空穴作为一个比特(bit)来存储信息。那么上述单原子操纵中从表面上移走单个原子而在表面上加工出单原子空穴的结果则可以用来写入信息；而用单原子修补表面缺陷则既可以用来删除已写入的信息又可以用来清除表画上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。第二种可能性是用放置到表面上的单个原子作为一个比特来存储信息。那么上述单原子操纵中向表面放置单个原子的结果则可以用来写入信息；而施加原子后再移走的结果则既可以用来删除被写入的信息又可以用来清除沉积在表面吸附原子上面的原子所形成的信息噪音。由此看来，所介绍的单原子操纵结果可以用来实现两种不同方式的单原子存储器。它们都能够满足存储器的写入、删除以及抗信息噪音的功能。至于从存储器阅读信息的功能，可以直接用STM或类似的仪器来阅读。 单原子操纵小结 那么，如果能用单个原子作为一个比特来存储信息的话，存储器的容量有多大呢？计算表明，一块面积为1cm2的Si表面将可以存储约1015比特(1MG bit)的信息。相当于一万块100G的硬盘。 当然，从目前的研究水平来看、单原子操纵的重复精度还远远没有达到单原子存储器的要求，而且STM的单原子操纵和图像扫描速度更是远远没有达到单原子存储器写入，删除和阅读所需的速度。这种用机械移动单个原子的方式来构成存储器的操作功能，也极大地限制了存储器的操作速度以及信息存储的可靠性，这些都将激励科学家们继续进行更加深入和细致的研究，探讨未来原子尺度存储器件的模式。 单原子操纵小结 总之，STM的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着它的理论和实验技术的日益完善，它必将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中