第四章-原子力显微镜单原子操纵和纳米加工技术PPT课件
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第二讲 扫描隧道显微镜及其应用
复习主要内容
1. 电子显微镜的原理 2. 扫描隧道显微镜的基本原理 3. 扫描隧道显微镜不同条件下的应用
.
1
电子显微镜的原理
.
2
STM的基本原理图
.
3
STM扫描模式示意图
扫描隧道显微镜有两种工作模式，恒电流模式和 恒高度模式。
STM的两种工作模式：(a) 恒电流模式； (b) 恒高度模式
.
4
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
.
5
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
.
6
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。
用铅笔法将Au针尖材 料放置到样品表面上
.
22
蘸水笔法放置原子
用W针尖从 Si(111） 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
.
23
放置与提取
.
24
钢笔法放置原子
氢气分子在强电场的 作用下分离成氢原子 并 沉 积 吸 附 在 Si （111） 表 面 上 形 成 图中的三角形结构。 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， 再源源不断地放置样 品表面上去，犹如用 钢笔写字。
.
34
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。
.
35
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(111)表面将 可以存储约1015比特的信息，存储量是过 去使用的1.3 MB磁盘存储器的7亿6900万倍。
（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。
.
21
铅笔法放置原子
当在Au的针尖和表面之间施加 一-3.5~-4.0V（针尖为负）的电 压脉冲时（此值高于Au原子的 场蒸发阈值），可以将针尖上 的Au原子团源源不断地放置到 Au表面上的预定位置，形成直 径为10～20nm。高为l－2 nm的 纳米点结构。用这些纳米点描 绘的世界地图十分微小，直径 仅为1um，与实际地球相比 ， 其比例约为1:1013。
.
38
即使当今存储密度最高的 硬盘，要想保存一比特的信息 也需要大约100万个磁性原子， 而位于加州圣何塞的 IBMAlmaden研究中心已经成 功地在一个单独的原子上保存 了一比特信息。
与此同时，IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关， 有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台 超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。
.
47
AFM与STM的差别
AFM与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏 感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖， 并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微 小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧 道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的 各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比 STM更加广阔。
.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
48
动态力显微镜
工作原理：保持针尖悬臂 的振幅衰减量不变
自由振荡
振幅衰减
.
49
动态力显微镜（DFM)
动态力显微镜是在样品扫描过程中，让探针的悬 臂在其共振频率附近作受迫振动，使得针尖以敲 打的方式敲击样品表面，由于在敲击过程中针尖 与表面之间的相互作用力会改变针尖的振动状态 （振幅，频率），从而引起反馈与控制扫描系统 的反应，调整扫描状态，保证针尖悬臂的振动状 态为初始状态，从而获得样品表面的形貌特征。
.
25
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。
.
26
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。
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 诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。随着原子结 构加工机理研究的深入，用单个原子来制造电子器件 将不再是梦想，人们直接以原子和分子制造具有特定 功能的产品的时代也将会到来。到那时，也许现在的 巨型计算机将来有可能做成大头针那样大小，即使是 美国最新开发成功的峰值速度高达每秒12万亿次超级 计算机，也将会小到可以随手放进口袋里。
.
13
移 动 铁 原 子 图 片
.
14
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。
.
32
单原子存储器
单原子的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，它必须能够写人信息； 其次，它必须能够删除已写人的信息；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。
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。
.
20
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；
.
36
但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的速度更是远 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。
.
37
.
27
Ga纳米细线
.
28
Pb纳米细线
.
29
其它纳米细线材料
纳米碳管 砷化镓 碲化镉 等等
.
30
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。
.
10
（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。
.
11
移动氙原子
.
12
移动铁原子
.
7
STM单原子操纵原理图
.
8
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。
.
9
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。
10gatepartlaserdiodekfm西南科技大学分析测试中心63surfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotential35mtopography35mpotentialdifferencespontaneousoxidationpartelectrolyticoxidationpartmetalfilmspontaneousoxidation970mvelectrolyticoxidation960mv西南科技大学分析测试中心64redbloodcorpuscledfmmode8mdnadfmmode500nm西南科技大学分析测试中心66硅材料表面上纳米细线的刻蚀西南科技大学分析测试中心67西南科技大学分析测试中心68西南科技大学分析测试中心69西南科技大学分析测试中心70应用实例应用亍纸张质量检验应用亍陶瓷膜表面形貌分析评定材料纳米尺度表面形貌特征西南科技大学分析测试中心71普通名片纸和照片质量纸西南科技大学分析测试中心72陶瓷膜表面形貌的三维图象西南科技大学分析测试中心73同一样品在微米尺度和纳米尺度下的形貌对比西南科技大学分析测试中心74单原子操纵有哪几类
IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存 储 设 备 ， 至 少 相 当 于 目 前 硬 盘 的 1000 倍 ， 可 以 在 一 部 iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。
.
39
第四讲 原子力显微镜及其应用
原子力显微镜的基本原理 原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法 原子力显微镜获得的原子图像 原子力显微镜的纳米加工技术 应用实例
.
41
AFM的工作 原理图
.
42
AFM的针尖的形状
.
43
原子力显微镜 （Atomic Forces microscopy）
.
44
四象限探测器探测针尖形变的原理
II I III IV
针尖z方向的形变量可用上下象限的光强差精确得到
光斑位移量s可通过
I I IIIIIIV
I IIIIIIIV
.
15
移 动
C60 分 子
.
16
（2）单原子提取
应用电压脉冲方 法提取MoS2表面上的 S原子并用遗留下的原 子空穴构成了 “PEACE’91 HCRL” 的字样。
图中每个字小于 1.5nm，仍然保持着 最小字的世界记录。
.
17
Si 原 子 的 提 取
.
18
单原子提取的机理
.
19
（3）单原子的放置
得到，并且可通过光杠杆原理得到针尖的形变量
s
d
.
45
AFM成像的机制和特点
针尖与样品表面一直接触，通过观察针尖悬臂的弯曲程度监测针尖与 样品之间的距离大小。 针尖在扫描过程中会拖拽样品，产生额外的横向力（摩擦力） 容易将弱吸附在表面的样品扫走
.
46
纳米刻蚀——基于Dip-pen技术实现了在氧化硅表面加工CdS纳 米线
.
40
原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的 原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材 料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足，达 到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986年， Binnig 等 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 （ Atomic Force Microscopy, AFM)。AFM是一种类似于STM的显 微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于 三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。
.
33
单原子存储的两种可能
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。这里有两种可能性：第一种可 能性是用表面上单原子的空穴作为一个比特来存 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面 上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。
.
31
Xe(氙)单原子开关
1990年，Eigler研究小组使用 STM成功地移动了吸 附在 Ni（ 110）表面上的Xe原子。后来，他们在控制 Xe原子时进一步发现，当改变STM针尖和Ni（110）表 面之间的偏置电压及其极性时Xe原子会在STM针尖和 Ni（110）表面之间移动且总是移向处于正极性的一端。 并且，当Xe原子与针尖接触时STM隧道结处于高导电 状态；而当Xe原子回到Ni表面上时STM隧道结处于低 导电状态。这实际上是一个由Xe原子构成的超高速双 稳态电子开关。
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 1 0 1 个 Fe 原 子 写 下 “原子”二个迄今为止最小的汉字。
复习主要内容
1. 电子显微镜的原理 2. 扫描隧道显微镜的基本原理 3. 扫描隧道显微镜不同条件下的应用
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1
电子显微镜的原理
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2
STM的基本原理图
.
3
STM扫描模式示意图
扫描隧道显微镜有两种工作模式，恒电流模式和 恒高度模式。
STM的两种工作模式：(a) 恒电流模式； (b) 恒高度模式
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4
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
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5
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
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6
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。
用铅笔法将Au针尖材 料放置到样品表面上
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22
蘸水笔法放置原子
用W针尖从 Si(111） 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
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23
放置与提取
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24
钢笔法放置原子
氢气分子在强电场的 作用下分离成氢原子 并 沉 积 吸 附 在 Si （111） 表 面 上 形 成 图中的三角形结构。 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， 再源源不断地放置样 品表面上去，犹如用 钢笔写字。
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34
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。
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35
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(111)表面将 可以存储约1015比特的信息，存储量是过 去使用的1.3 MB磁盘存储器的7亿6900万倍。
（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。
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21
铅笔法放置原子
当在Au的针尖和表面之间施加 一-3.5~-4.0V（针尖为负）的电 压脉冲时（此值高于Au原子的 场蒸发阈值），可以将针尖上 的Au原子团源源不断地放置到 Au表面上的预定位置，形成直 径为10～20nm。高为l－2 nm的 纳米点结构。用这些纳米点描 绘的世界地图十分微小，直径 仅为1um，与实际地球相比 ， 其比例约为1:1013。
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38
即使当今存储密度最高的 硬盘，要想保存一比特的信息 也需要大约100万个磁性原子， 而位于加州圣何塞的 IBMAlmaden研究中心已经成 功地在一个单独的原子上保存 了一比特信息。
与此同时，IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关， 有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台 超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。
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47
AFM与STM的差别
AFM与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏 感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖， 并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微 小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧 道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的 各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比 STM更加广阔。
.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
48
动态力显微镜
工作原理：保持针尖悬臂 的振幅衰减量不变
自由振荡
振幅衰减
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49
动态力显微镜（DFM)
动态力显微镜是在样品扫描过程中，让探针的悬 臂在其共振频率附近作受迫振动，使得针尖以敲 打的方式敲击样品表面，由于在敲击过程中针尖 与表面之间的相互作用力会改变针尖的振动状态 （振幅，频率），从而引起反馈与控制扫描系统 的反应，调整扫描状态，保证针尖悬臂的振动状 态为初始状态，从而获得样品表面的形貌特征。
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25
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。
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26
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。
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 诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。随着原子结 构加工机理研究的深入，用单个原子来制造电子器件 将不再是梦想，人们直接以原子和分子制造具有特定 功能的产品的时代也将会到来。到那时，也许现在的 巨型计算机将来有可能做成大头针那样大小，即使是 美国最新开发成功的峰值速度高达每秒12万亿次超级 计算机，也将会小到可以随手放进口袋里。
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13
移 动 铁 原 子 图 片
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14
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。
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32
单原子存储器
单原子的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，它必须能够写人信息； 其次，它必须能够删除已写人的信息；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。
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。
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20
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；
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但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的速度更是远 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。
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Ga纳米细线
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28
Pb纳米细线
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29
其它纳米细线材料
纳米碳管 砷化镓 碲化镉 等等
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30
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。
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10
（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。
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11
移动氙原子
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12
移动铁原子
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7
STM单原子操纵原理图
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8
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。
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9
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。
10gatepartlaserdiodekfm西南科技大学分析测试中心63surfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotentialmeasurementkfmsurfacepotential35mtopography35mpotentialdifferencespontaneousoxidationpartelectrolyticoxidationpartmetalfilmspontaneousoxidation970mvelectrolyticoxidation960mv西南科技大学分析测试中心64redbloodcorpuscledfmmode8mdnadfmmode500nm西南科技大学分析测试中心66硅材料表面上纳米细线的刻蚀西南科技大学分析测试中心67西南科技大学分析测试中心68西南科技大学分析测试中心69西南科技大学分析测试中心70应用实例应用亍纸张质量检验应用亍陶瓷膜表面形貌分析评定材料纳米尺度表面形貌特征西南科技大学分析测试中心71普通名片纸和照片质量纸西南科技大学分析测试中心72陶瓷膜表面形貌的三维图象西南科技大学分析测试中心73同一样品在微米尺度和纳米尺度下的形貌对比西南科技大学分析测试中心74单原子操纵有哪几类
IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存 储 设 备 ， 至 少 相 当 于 目 前 硬 盘 的 1000 倍 ， 可 以 在 一 部 iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。
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39
第四讲 原子力显微镜及其应用
原子力显微镜的基本原理 原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法 原子力显微镜获得的原子图像 原子力显微镜的纳米加工技术 应用实例
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41
AFM的工作 原理图
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42
AFM的针尖的形状
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43
原子力显微镜 （Atomic Forces microscopy）
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44
四象限探测器探测针尖形变的原理
II I III IV
针尖z方向的形变量可用上下象限的光强差精确得到
光斑位移量s可通过
I I IIIIIIV
I IIIIIIIV
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15
移 动
C60 分 子
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16
（2）单原子提取
应用电压脉冲方 法提取MoS2表面上的 S原子并用遗留下的原 子空穴构成了 “PEACE’91 HCRL” 的字样。
图中每个字小于 1.5nm，仍然保持着 最小字的世界记录。
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17
Si 原 子 的 提 取
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18
单原子提取的机理
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19
（3）单原子的放置
得到，并且可通过光杠杆原理得到针尖的形变量
s
d
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45
AFM成像的机制和特点
针尖与样品表面一直接触，通过观察针尖悬臂的弯曲程度监测针尖与 样品之间的距离大小。 针尖在扫描过程中会拖拽样品，产生额外的横向力（摩擦力） 容易将弱吸附在表面的样品扫走
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46
纳米刻蚀——基于Dip-pen技术实现了在氧化硅表面加工CdS纳 米线
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40
原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的 原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材 料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足，达 到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986年， Binnig 等 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 （ Atomic Force Microscopy, AFM)。AFM是一种类似于STM的显 微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于 三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。
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33
单原子存储的两种可能
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。这里有两种可能性：第一种可 能性是用表面上单原子的空穴作为一个比特来存 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面 上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。
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31
Xe(氙)单原子开关
1990年，Eigler研究小组使用 STM成功地移动了吸 附在 Ni（ 110）表面上的Xe原子。后来，他们在控制 Xe原子时进一步发现，当改变STM针尖和Ni（110）表 面之间的偏置电压及其极性时Xe原子会在STM针尖和 Ni（110）表面之间移动且总是移向处于正极性的一端。 并且，当Xe原子与针尖接触时STM隧道结处于高导电 状态；而当Xe原子回到Ni表面上时STM隧道结处于低 导电状态。这实际上是一个由Xe原子构成的超高速双 稳态电子开关。
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 1 0 1 个 Fe 原 子 写 下 “原子”二个迄今为止最小的汉字。