扫描探针显微镜系列及其应用综述

收稿日期:2002 01 18
基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(99C05)
作者简介:田文超(1968 ),男,讲师,西安电子科技大学博士研究生.
扫描探针显微镜系列及其应用综述
田文超,贾建援
(西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安 710071)
摘要:扫描探针显微镜将人类带入原子世界,使人类不仅能够观察到物质表面原子的排布情况,而且能
够按照人类的意图实现原子操纵.回顾了扫描探针显微镜的历史,介绍了目前国际上各种系列的扫描探
针显微镜基本原理、主要特点、研究现状和最新应用情况,重点介绍了原子操纵和生命科学、信息科学领
域的应用,提出了扫描探针显微镜目前的研究方向.
关键词:扫描探针显微镜;扫描隧道显微镜;原子力显微镜;原子操纵;纳米技术
中图分类号:TH742 文献标识码:A 文章编号:1001 2400(2003)01 0108 05
Overview of the mechanisms and applications of the
scanning probe microscope series
TIAN Wen chao,JIA Jian yuan
(School of Electromechanical Engineering,Xidian Univ.,Xi an 710071,China)
Abstract: The Scanning Probe M icroscope (SPM ),which was invented for imaging the topographic at the atomic
level,becomes a method for manipulati ng the single atom and fabricating nanometer scale s tructures on the solid
surface and for the realization of single atom and single electron devices.This capability makes it i ncreasingly
attractive and powerful for use in diverse areas,such as gene engineering,life science,material science,
biotechnology and surface technology.The histories of the Scanning Probe Microscopy are introduced in this paper,
followed by the principles,characteristics,actual condi tions and applications.Its applications in single atom
manipulation,life science and information science are emphasized.Finally the research directions are put forward.
Key Words: scanning probe microscope;scanning tunneling microscope;atomic force microscope;single atom
mainpulation;nanometer technology
1981年,IBM 公司苏黎世研究所的物理学家G.Binning 和H.Rohrer 发明了扫描隧道显微镜(STM)[1],观察到了Si(111)表面清晰的原子结构,使人类第一次进入原子世界,直接观察到了物质表面上的单个原子,1986年他们为此获得诺贝尔物理奖.1985年,G.Binning 在STM 的理论基础上,又发明了原子力显微镜(AFM),将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体.Ivan Amato 将AFM 比作为 纳米世界的选拍照相机![2].在STM 和AFM 的理论基础上,又相继发明了力调制显微镜(FMM)、相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(E FM)、电容扫描显微镜(SC M)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜.由于以上显微镜均是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备,因此,国际上称以上各系列显微镜为扫描探针显微镜(SPM).
目前,SPM 已不仅仅限于观察原子排列了,而已深深渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种尖端科学领域.尤其是用SPM 来操纵单原子、单分子技术,将使人类从目前的微米尺度上对材料的加工迅速跨入到纳米尺度、原子尺度上的加工,完成单分子、单原子、单电子器件的制作,从而导致相关学科高速发展.在信息科学上,SPM 使信息存储量大幅度提高;在生命科学
2003年2月
第30卷 第1期 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOURNAL O F XIDIA N UNIVERSITY Feb.2003
Vol.30 No.1
中,SPM 完成物种再造;在材料科学中,SPM 创造新原子结构材料,并可实现纳米机械加工设备.可以说SPM 对推动人类科学技术和产业革命有无法估量的动力.我国科学技术部等五部委颁发的∀国家纳米科技发展纲要(2001 2010)#中,将SPM 列为急需突破的关键技术.中科院化学所和物理所在SPM 领域作了大量工作,某些方面已处于国际领先水平.白春礼院士将SPM 比作为纳米的 眼!和 手!
[3],利用SPM 观察原子、移动原子、构造纳米结构.
该文介绍了各种系列的扫描探针显微镜基本原理、研究现状和国际进展及应用,重点介绍原子操纵和在
生命科学、信息科学的应用,并提出了SPM 的研究方向.1 S PM 基本原理
图1所示为SP M 原理简图[4].图中深色部分为被测试样面.当探针在水平方向进行扫描时,由于被测表面因原子排列而形成的 凸凹不平!,导致针尖在垂直方向有变化的 Z.由 Z 的变化引起在接触区域的力、电流、电容、热、光的变化,检测这些变化量导致各种系列的SP M 的产生.探针的水平扫描可达100 m,垂直扫描可达4 m.探针多由Si,W 或Ni 材料制成
.
图1 SPM 原理简图图2 STM 的基本原理图
1 1 STM 基本原理
图2所示为STM 的基本原理图.图中圆圈为原子,中间深色部分为原子核,周围浅色部分和分散的黑点为电子云.上面6个原子代表探针针尖,下面11个原子代表被测试样面.STM 的基本原理是基于量子隧道效应.当针尖和试样面间距离足够小时(<0 4nm),在针尖和试样面间施加一偏置电压,便会产生隧道效应,电子在针尖和试样面之间流动,形成隧道电流.在相同的偏置电压作用下,随着探针同试样面间的距离减小,隧道电流很快增大(可增大1~2个数量级),同时针尖原子和试样面原子的电子云部分重叠,使两者之间的相互作用大大增强.由于隧道电流随距离呈指数形式变化,因此,试样面上由于电子排列形成的 凸凹不平!表面导致隧道电流剧烈的变化.检测变化的隧道电流并经计算机处理,便能得到试样面的原子排列情况.
A.John 和Jr.Cowan [5]利用量子力学理论,推导出针尖同试样面相距X 的隧道电流为
(x )=A exp(-i k x )+B exp(i k x ) .
目前STM 的横向分辨率为0 1nm,纵向分辨率可达0 01nm,隧道电流为1nA.由于STM 是基于隧道效应,因此,STM 的应用受到限制,只能观察导体和半导体材料制成的试样面.
1 2 AFM 基本原理
图3所示为AFM 原理示意图,在悬臂梁上装有微反射镜.图4为探针针尖同被测试样面接触处的示意图,图中小圆分别代表探针同接触面的原子,探针由凸起的试样面处扫描到凹下的试样面处.由于试样面原子排列产生 凸凹不平!,当探针在水平方扫描时,针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化.由固体物理学理论可知,当探针针尖同试样面很近时,其间会产生原子间力.针尖同试样面间垂直方向的变化距离导致针尖同试样面间原子间力的变化.变化的原子间力引起悬臂梁在垂直方向发生振动,因此,利用激光束的偏转可检测出针尖同试样面间变化的原子间力.将激光束的偏转信号输入计算机中进行处理,可得到试样109第1期 田文超等:扫描探针显微镜系列及其应用综述
面的表面信息.在试样面下方装有压电材料,用以接受计算机输出的反馈信号,调节试样面的高度,以达到保护探针针尖的目的
.
图3 AFM原理示意图图4 探针针尖同试样面接触处的示意图
由于AFM是基于原子间力的理论,因此,被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘体领域,其横向分辨率可达0 01nm.目前根据探针针尖同试样面的接触情况,将AFM的接触形式分为接触型(C型)、非接触型(NC 型)、间歇接触型(IC型)[6].由于间歇接触型IC AF M兼有C AFM和NC AFM的特点,已成为研究的新热点.
图5 FMM原理示意图
1 3 FMM基本原理
图5所示为FMM的原理示意图.探针针尖以接触形式同被
测试样面相接触.图中曲线为施加于探针针尖的周期信号.为保
持探针同试样面恒定接触,使悬臂梁保持恒定弯曲,需将经计算
机处理后的反馈信号送给悬臂梁.由于试样面的局部弹性有差
异,经调制后的探针振动信号随试样面局部弹性的不同而变化,
因此,通过测量振幅的变化量可得到试样面的局部弹性情况.探
针所加信号为100~1000kHz,要略高于反馈信号.FMM的最大
特点是可测量表面的弹性变化情况,其横向分辨率要高于AFM
一个数量级.
图6 PDM的原理图
1 4 PDM基本原理
图5所示为PDM的原理图.在试样面上施加输入信
号,则在悬臂梁上有相应的输出信号.将两种信号同时输
入计算机中进行处理,可得到试样面的表面特性.
PD M的特点是接触面处的接触方式既可以是接触
型、非接触型,也可以是间歇接触型.可检测出表面的弹
性情况、粘性情况和摩擦情况.
1 5 EFM基本原理
在EFM中,探针同试样面的接触情况为非接触型.当
探针在试样面上进行扫描时,由于试样面上电荷密度有
差异,探针和试样面间形成的静电力随扫描区域的不同
而变化,因此,通过测量悬臂梁的振幅变化量可得到试样面的表面电荷分布情况.该项技术由于被用于微处理器等深亚微米芯片检测而被称为电荷探针!.
1 6 SCM基本原理
在SC M中探针同试样面的接触方式为接触型的.当探针在试样面上扫描时,由于针尖同试样面间的介电常数随扫描区域的不同而发生变化,从而导致接触面处电容的变化.通过测量变化的电容,可获得试样面的介电常数分布情况.SC M的特点是不仅可以测量表层的介电常数分布,还可以测量深层的介电常数分布.
1 7 SThM基本原理
SThM在接触处的接触方式为非接触型.STM的悬臂梁由热膨胀系数较大的材料制成.当探针在试样面上扫描时,由于试样面上不同的热量分布导致悬臂梁的变形量不同,通过测量悬臂梁的振动变化可得到试样110 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷
面上热的分布情况.
1 8 N SOM 基本原理
在NSOM 中,探针被固定,试样面利用压电技术进行扫描.针尖被做成音插形状,以提高灵敏度.NSOM 可测量几个纳米的近场,对于次长波信息,分辨率可达5~20nm.
2 S PM 应用
1959年美国物理学会年会上,诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman 说: 如果我们能够按自己的意愿排列原子,将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答,
但我决不怀疑我们能在如图7 原子、分子操作示意图此小的尺寸上操纵原子.![7]
目前,Richard Feynman 的设想可以
实现了.使用STM 进行单原子操纵的较普遍的方法,是在针尖
和试样面之间施加偏置电压.由于针尖同试样面之间的距离很
小,因此,在偏置电压作用下,针尖和试样面之间将产生强大电
场(109~1010V/m).试样面上的吸附电子在强电场作用下,经
过蒸发被移动或提取,在试样面上留下空穴,从而实现单原子
的移动和操纵.同样,吸附在针尖上的原子也有可能在强电场
作用下,经过蒸发而沉积到试样面上,完成单原子的放置.利用
AF M 进行单原子操纵还处于研究阶段.通过控制针尖同试样面
之间的距离,利用针尖和试样面原子之间不同的原子间力,实
现原子操纵.目前,利用SPM 实现原子操纵是SPM 研究的又一
新热点,并因此带动相关学科产生新一轮革命. 正是由于SPM
图8 Xe 原子操纵过程示意图的精确性和准确性,显然对传统微电子工艺形成了冲击和
震动![6].图7所示为日本通产省产业技术研究所实现原子、
分子操作技术的示意图[8].图8所示为Xe 原子操纵过程示
意图.左上图为Xe 原子静置在Ni 表面上,右上图为探针 拾
起!Xe 原子的情景.下面两图为STM 显示的Ni 表面情况.
SPM 在生物技术和生命科学中,也具有广阔的应用前
景.图9所示是日本通产省用AFM 观察到的1066对基因中
DNA 发生突变的位置示意图[8].图中的亮点为DNA 发生突
变的位置.目前SPM 在生物技术中的主要应用有:基因分
析、染色体和细胞膜分析,蛋白质和核酸聚合分析,新物种
产生等领域.
SPM 是IB M 公司的科学家发明的,它在信息技术的应
用,一直是人们关注的,随着科技的进步,对芯片的计算功能和存储功能的要求越来越高,如何提高芯片的性能是信
息技术追求的目标,SPM 的产生可谓是信息技术发展的一项催化剂,必然会带动信息产业更大的发展.以纳米电子加工为例,SPM 技术可以加工更小尺寸的器件,器件的工作频率也更快,能耗也更低.如果在1cm 2Si 表面用原子存储信息,可存储1015bit 的信息[9],是目前所用的1 44Mb 的7亿倍.
目前SP M 技术主要应用于微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、表面技术、信息技术和纳米技术
等各种尖端科学领域[10~12].随着纳米器件的发展和STM 理论的不断完善,人类将可以用特定的原子制造特
殊功能的产品.
111第1期 田文超等:扫描探针显微镜系列及其应用综述
图9 1066对基因中DNA 发生突变的位置示意图3 结束语
目前SP M 的发展方向主要有:∃探针针尖的工艺研究.
探针针尖的工艺对SP M 分辨率至关重要,如何提高针尖尖
度、延长探针使用寿命将成为SPM 长期研究的问题.%对
于STM,偏置电压的控制,也是研究的关键.电压过高,电场
强度增大,有利于原子迁移;然而场强过大,在针尖和试样
面之间会产生复杂化学反应,导致原子操纵过程变得复
杂.&接触面处的接触距离,是SPM 中最关键的因素.合理
的接触距离,既有利于延长针尖的使用寿命,又有利于提
高SPM 的分辨率.而接触距离在原子操纵中,将起着决定性作用.电场的强弱和原子间力的大小同接触距离有密切的关系,尤其是AFM,研究发现,当接触距离达到某个值时,接触面处的原子会发生 突跳!, 突跳!对原子操纵影响很大.我国在∀国家纳米科技发展纲要(2001 2010)#中,已将SPM 列为急需突破的纳米科技发展的共性关键技术.相信在不久的将来,SPM 将在更广阔的领域得到发展.
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(编辑:齐淑娟) 112 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷。