第五章 扫描探针加工技术
扫描探针显微技术(SPM)
虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布， 对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并 结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来， 综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。
STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、 高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面 化学研究十分便利。 例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面 催化、电化学腐蚀等。 在Si(001)表面上 SiH3→SiH2（吸附）+H（吸附）
iii 光学检测法 光学检测法中常用干涉法和光束偏转法两种。光 学干涉法的原理类似于迈克尔逊干涉仪，用两束 正交的偏振光，分别探测微悬臂的固定端和针尖， 经过微悬臂反射后，两束光发生干涉，干涉光相 位移动的大小与微悬臂形变量△Z有关。在扫描 过程中，通过反馈电路调整相位移恒定，就可以 得到表面形貌图像，分辩率在z方向为0.001nm。
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描探针显微镜的特点
相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较
分辨率 扫描探 针显微 镜 透射电 镜 工作环境 样品环境 实环境、大 气、溶液、 真空 温度 室温或低 温 对样品 破坏程度 无 检测深度
原子级(0.1nm) 点分辨 (0.3~0.5nm) 晶格分辨 (0.1~0.2nm)
金属中的自由电子具有波动性，当电子波（ψ） 向表面传播遇到边界时，一部分被反射（ψR）， 而另一部分则可透过边界（ψT），从而在其表面 形成电子云，电子云的密度随距表面的距离成指 数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可 以相互渗透，即金属1的透射波ψT1与金属2的透 射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一 现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电 流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的 量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加 电压，则电子定向流动，形成隧道电流。
扫描探针显微加工技术
扫描探针显微加工技术哎呀，说起扫描探针显微加工技术，这玩意儿可真是个神奇的存在。
你知道吗，这技术就像是用一根超级细的笔在微观世界里画画，不过画的不是普通的画，而是电路啊、纳米结构啊这些高科技玩意儿。
记得有一次，我去了一个朋友的实验室，他正好在捣鼓这个。
我一进去，就看到那台机器，长得跟显微镜似的，但是比显微镜复杂多了。
我朋友一边操作，一边跟我解释，说这技术能精确到纳米级别，就是说，比头发丝还细上万倍。
他给我展示了一个样品，那是一个芯片，上面密密麻麻的都是线路。
他说，这些线路就是用扫描探针显微加工技术做出来的。
我凑近一看，哇塞，那些线路简直就跟艺术品一样，排列得整整齐齐，而且超级细，肉眼几乎看不清楚。
他告诉我，这技术可不简单，得用一个非常非常细的探针，然后在样品表面上一点一点地“雕刻”。
这个过程需要非常精确的控制，因为一不小心，可能就会把线路刻歪了，或者刻断了。
我朋友还开玩笑说，这比绣花还难，绣花至少还能看到线，这玩意儿得靠感觉和经验。
他还给我演示了一下，那探针在样品上移动的时候，我几乎听不到任何声音，只能看到屏幕上的图像在变化。
我朋友一边操作，一边还得盯着屏幕，调整探针的位置和力度。
他说，这就像是在微观世界里跳舞，得非常小心，不然一步错，步步错。
我问他，这技术能用来干嘛？他眼睛一亮，说这可多了去了，比如制造更小的电子设备，提高芯片的性能，还能用来研究材料的微观结构，甚至在生物医学领域也有应用，比如制造更精细的医疗器械。
最后，他给我看了一个成品，那是一个超级小的齿轮，比米粒还小。
他说，这齿轮就是用扫描探针显微加工技术做出来的，我简直不敢相信自己的眼睛，这么小的东西，居然能做得这么精细。
离开实验室的时候，我还在想，这技术真是太神奇了，能在那么小的世界里，做出这么精细的东西。
这不仅仅是技术的进步，更是人类智慧的体现啊。
下次有机会，我还得去见识见识，看看这技术还能玩出什么新花样。
扫描探针显微技术及其应用
扫描探针显微技术及其应用贺爽博【摘要】当今纳米科技时代,显微技术越来越成为一项不可或缺的研究手段.本文全面介绍了目前具有广泛应用的扫描探针显微技术,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜,以及导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等专用功能型的扫描探针显微技术.本文介绍了这些扫描探针显微技术的工作原理,并比较了它们在应用上的优缺点.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2017(000)020【总页数】2页(P145,147)【关键词】扫描探针显微技术;扫描隧道显微镜;原子力显微镜;发展综述【作者】贺爽博【作者单位】湖南师范大学附属中学【正文语种】中文在新物理的探索、电子器件微型化等因素的驱动下，物理、化学、材料等学科的研究早已进入到了微观（纳米）领域。
在纳米科技时代，人们已经发现了更多有趣的物理现象、更多性能优越的新型材料，也开发了更多新型器件的应用。
而这一切都离不开微观尺度表征手段的发展。
显微技术是纳米科技领域不可或缺的一种表征手段，它可以被用于观察纳米材料的表面形貌、内部结构，也可以被用来测量材料在纳米尺度的物理特性。
传统的光学显微镜由于阿贝极限的存在，很难用于观察纳米材料。
从上世纪30年代逐渐发展起来的电子显微镜，虽然具有很高的分辨率和比较完善的测试功能，但是它具有仪器庞大、昂贵，运行、维护成本高，高真空要求，样品准备工艺复杂，测试效率低等缺点。
相比之下，于上世纪80年代迅速发展起来的扫描探针显微技术，具有结构简单、易于操作、测试效率高等优势，因此，自其发明以来，就得到了广泛的关注和应用。
目前，人们已发明了诸多类型的扫描探针显微镜，包括主要用于表面材料的表面形貌和原子/分子结构的扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及针对具体物理性质测量功能而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等。
[1-3] 本文综述了几种常见的扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及基于原子力显微镜而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜。
扫描探针显微镜经典原理介绍和相关方法
iii
following should be considered as an attempt to mention the most important preliminary approaches on the one hand and to provide links to at least some of the many interesting and striking applications on the other hand. Saarbrücken, July 1997 U. Hartmann
iv
1.
Introduction
It is certainly not necessary to emphasize the enormous importance of microscopic imaging in the natural sciences, in medicine, and in various engineering disciplines. In the past decades this importance has been recognized repeatedly by the awarding of Nobel prices to the inventors of a number of new and improved approaches in the field of microscopy. Today a strong driving force for further developments results from the increasing demand related to key technologies. One of the key technologies is certainly microelectronics where, as a consequence of the decreasing scale of many devices, high-resolution characterization methods have become of fundamental importance for further development in this area. Another discipline, where progress is directly related to the availability of powerful microscopy methods, is certainly the development of new and functional materials. The latter strongly relies on the characterization of materials at various and increasing levels of resolution. Structure, microstructure, and defect geometry, as well as chemical composition and spatial distribution are important parameters determining the behavior of materials and practical applications. In order to qualify a certain approach as microscopy, the method should give spatially localized information on the microstructure and it should have the potential to provide a magnified real-space image of the sample (Amelincks et al., 1997). A today's materials scientist, e. g., has a large number of such methods at his disposal. This is necessary because complete characterization of the given material requires the application of different and complementary characterization methods, then yielding in combination the numerous relevant parameters. In 1980/81 G. Binnig, H. Rohrer, and coworkers from the IBM Zürich Research Laboratories invented a new type of microscope (Binnig et al., 1982) which they called the Scanning Tunneling Microscope (STM). The instrument, which proved capable of imaging solid surfaces with atomic resolution, has revolutionized microscopy and surface analysis in an unprecedented way over the past 15 years. When looking back it is evident that the outstanding success of STM is not only due to the ultrahigh resolution which can be achieved by this technique. Equally important, if not more, is that STM stimulated the development of a whole family of Scanning Probe Methods (SPM) which are all based on instrumental principles very similar to that of the STM. The most popular offsprings are Atomic Force Microscopy (AFM)
第五章 纳米电子学
2.电子器件、电路、系统设计
纳米结构 量子阱 量子线
物理效应 共振隧穿效应 高迁移率一维电子气
应用 谐振晶体管、电路和系统 超高速逻辑开关、电路和系统
量子点 量子点接触
可集蓄电子原理
极大容量存贮器
库仑阻塞效应、单电子 单电子晶体管、电路和系统(包 振荡和单电子隧穿效应 含单电子开关和单电子存贮器)
扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及 特种超微细加工技术
3.4.1 三束光刻加工技术
1、光学光刻技术
光学光刻是IC产业半导体加工的主流技术。通过光 学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结 构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。
减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。 光刻蚀使用240nm的深紫外光波，能否突破100nm成 为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。
1、RT>RK; 2、e2/2C>> KBT。
➢ 1、RT>RK的物理意义：当一个隧道结两端施以偏压U
时，电子的隧穿几率Γ＝U/(eR)，那么两次隧穿事件的时间 间隔为1/Γ=eR/U，而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的 周期为h/(eU)。因此，必须满足eR/U＞＞h/eU，即R ＞＞h/e2。 这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子是一个一 个地隧穿。
光刻技术——X射线刻蚀、电子束刻蚀、软X射线刻蚀、
聚焦离子束刻蚀等
微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细
加工技术
第二节 纳米电子器件的分类
2.1纳米器件与纳米电子器件
2、纳米电子器件
➢纳米电子器件满足两个条件——
1、器件的工作原理基于量子效应； 2、都具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛” （或势阱）的结构。
扫描探针显微技术
➢ 量子
8
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
隧道效应是波动性旳成果： U(x)
入射波+反射波U0
透射波
0a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度旳物理下限…
9
2. STM工作原理：
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
11
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 扫描近场光学显微镜 SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy)
• 扫描近场声学显微镜 SNAM (Scanning Near-field Acoustical Microscopy)
• 热电势显微镜 STHM (Scanning Thermal Microscopy )
12
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
13
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM) 3. 怎样拾取隧道电流？= 为何1982年才发明？
14
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
具有两维扫描功能旳电流表
1. 隧道电流小(pA-nA)，隧穿电阻大(M-G) 2. 探针-样品距离小1nm 3. 良好旳机械振动和声音隔绝系统 4. 热漂移小 5. 电子学噪音小
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 公以为20世纪80年代十大科技成就之一。 • 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
6
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
1. STM中旳物理原理：量子隧道效应
2024纳米材料与技术期末考试复习
《纳米材料与技术》期末复习第一章：纳米科学技术的发展历史——1、1959年12月，美国物理学家费曼在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”，费曼的幻想点燃纳米科技之火。
2、1981年比尼格与罗勒尔独创了看得见原子的扫描隧道显微镜（STM）。
3、1989年在美国加州的IBM试验内，依格勒博士采纳低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，实现了人类另一个幻想——干脆操纵单个原子。
4、1991年，日本的饭岛澄男教授在电弧法制备C60时，发觉氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发觉了管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米碳纳米管。
5、1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开其次届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术会议，该会议标记纳米科学技术的诞生。
其次章：1、纳米材料的分类：按功能分为半导体纳米材料、光敏型纳米材料、增加型纳米材料和磁性纳米材料；按属性分为金属纳米材料、氧化物纳米材料、硫化物纳米材料、碳（硅）化合物纳米材料、氮（磷）等化合物纳米材料、含氧酸盐纳米材料、复合纳米材料。
按形态分为纳米点、纳米线、纳米纤维和纳米块状材料。
2、纳米材料的四个基本效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。
1）量子尺寸效应与纳米材料性质a.导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体；绝缘体氧化物相反。
b.磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。
c.比热亦会发生反常变更，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。
d.光谱线会产生向短波长方向的移动。
e.催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。
2)小尺寸效应的主要影响：a.金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量b.宽频带强汲取性质（光波波长）c.激子增加汲取现象（激子半径）d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）e.超导相向正常相的转变（超导相干长度）f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）3)表面效应及其影响：表面化学反应活性(可参加反应)、催化活性、纳米材料的（不）稳定性、铁磁质的居里温度降低、熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低、纳米材料的超塑性和超延展性、介电材料的高介电常数（界面极化）、汲取光谱的红移现象。
扫描探针加工和自组装技术相结合的研究进展——表面图形可控的功能纳米结构的制备
第２ ９卷 第 ４期
２ ０ 年 Ｏ 月 ０７ ７
武
汉
工
程
大
学
学
报
Ｖｏ． Ｎｏ １ ２９ ．４
Ｊ Ｗ ｕ ａ Ｉ ｓ． Ｔｅ ｈ ． ｈｎ ｎｔ ｃ．
Ｊ １ ２ ０ ｕ． ０７
文章 编号 ：０ ４ ７ ６ ２ ０ ） ４ ０ １ ４ １ ０ —４ ３ （０ ７ ０ —０ ０ 一Ｏ
针 尖 在 经过 样 品表 面 时 ， 面 上 的原 子或 分 子 就 表 会 被 推开 ， 而在 样 品 的 表 面上 留 下 纳米 级 的 划 从 痕 ． 如美 国 Ｌｕ研 究 小 组 ［在 研 究 硫 醇 自组装 例 ｉ ３ ］
领 域 （ 分 子组 装 、 如 纳米 粒 子 组 装 等） 进行 简单 的
第 一类 利用 原 子 力显 微 镜 的针 尖 和样 品之 间
分 子 、 子 和 纳 米 粒 子 进 行 可 控 操 作 ［．目前 的相 互 作 用 力 ， 样 品 的表 面 刮擦 来 进 行 纳米 加 原 】 ］ 在 其 当 Ｓ Ｍ 已经 是 表面 科学 、 Ｐ 纳米 科 技 和 介 观物 理 以及 工 ， 原 理相 当于 原子 力 显微 镜 成像 工 作原 理． 生 物化学 和 医学 等研究 领 域 中不可 或 缺 的一 种手 恰 当 的作 用 力 作 用 于 ＡＦ 的针 尖 上 （ 尖 的直 Ｍ 针
扫描探针 加工和 自组装技术相 结合 的研 究进 展
— —
表 面 图形 可 控 的功 能 纳米 结 构 的制 备
刘善堂
（ 武汉 工程 大 学化 工与制 药 学 院 ， 北省 新型反 应 器 与绿 色化 学 工艺 重点 实验 室 ， 北 武汉 ４ ０ ７ ） 湖 湖 ３ ０ ４
扫描探针显微技术
实现了单原子和单分子操纵
• 利用 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸 针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸 引或排斥作用， 引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向 移动，具体又可分为“牵引” 滑动” 移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推 动”三种方式 • 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上， 后移动到新的位置， 后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面 • 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏 通过外加一电场，改变分子的形状， 它的化学键
显微镜的发展历史
• 光学显微镜 • 电子显微镜 • 扫描探针显微镜
• 一般的光学显微镜的分辨率为250nm 一般的光学显微镜的分辨率为 • 扫描电子显微镜（横向分辨率3－5nm）不能 扫描电子显微镜（横向分辨率 － ） 用来直接观察分子和原子。 用来直接观察分子和原子。 • 扫描探针技术（STM横向 －0.2 nm，纵向 扫描探针技术（ 横向0.1－ 横向 ， 0.01nm）,可以直接观察分子、原子。 可以直接观察分子、 ） 可以直接观察分子 原子。 • 扫描探针技术（SPM）实际上一类显微术的总 扫描探针技术（ ） 称，都是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来 的 • 其中最常用的有扫描隧道显微镜（STM）和原 其中最常用的有扫描隧道显微镜（ ） 子力显微镜（ ），这两种方法互为补充 子力显微镜（AFM），这两种方法互为补充。 ），这两种方法互为补充。
• 振动隔离系统 STM图像的典型起伏幅度约为 图像的典型起伏幅度约为0.01nm， 图像的典型起伏幅度约为 ， 所以外来振动的干扰必须降低到0.001nm 所以外来振动的干扰必须降低到 一下。 一下。振动隔离系统就是设计一个专门的 装置使传递到STM仪器的振动减弱至不影 装置使传递到 仪器的振动减弱至不影 响测量精度。 响测量精度。 • 数据处理与显示系统 STM的数据处理由专用的数据处理与控 的数据处理由专用的数据处理与控 制软件来完成， 制软件来完成，扫描结果会直接的显示在 计算机屏幕上。 计算机屏幕上。
第五章1 扫描电子显微镜
第五章1 扫描电子显微镜第五章扫描电子显微镜和电子探针分析扫描电子显微镜(Scanning electron microscope--SEM) 是以类似电视摄影显像的方式，通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。
SEM在60’s商品化，应用范围很广；SEM成像原理与 TEM完全不同，不用电磁透镜放大成像；新式SEM的二次电子分辨率已达1nm以下，放大倍数可从数倍原位放大到30万倍；景深大，可用于显微断口分析，不用复制样品，方便；电子枪效率不断提高，使样品室增大，可安装更多的探测器，因此，与其它仪器结合，可同位进行多种分析，包括形貌、微区成分、晶体结构。
1965年第一台商用SEM问世2扫描电镜能完成：表(界)面形貌分析；配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。
35.1 扫描电子显微分析5.1.1 工作原理及构造1. 扫描电镜的基本原理SEM的工作原理是利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
4扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。
5由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。
7这些物理信号的强度随样品表面特征而变。
它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。
供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。
因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。
10从以上的SEM原理我们可以知道，它与TEM的主要区别： 1) 在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的：在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。
扫描探针显微技术
上一页
下一页
返回
适用范围
扫描探针显微技术的应用领域十分宽广。 扫描探针显微技术的应用领域十分宽广。 在物理、化学、生物、医学等基础学科， 在物理、化学、生物、医学等基础学科，还是 材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。 材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。 下面简单例举几项： 下面简单例举几项： 纳米加工技术 基于扫描探针显微镜的纳米加工技术， 基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包 括了一种纳米刻蚀技 Nanolithgraphy） 纳米刻蚀技（ 括了一种纳米刻蚀技（Nanolithgraphy）。这 种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。 种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。目前 刻蚀图形的线宽约10nm 10nm。 刻蚀图形的线宽约10nm。
上一页 下一页
返回
适用范围
用 于 研 究 物 质 的 动 力 学 过 程
Continuous AFM height images of melt-crystallized poly[(R)-3hydroxybutyric acid ](PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20℃ [8]
上一页 下一页
返回
SPM的特点 SPM的特点 • 原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方 原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方 向的分辨率分别可达0.1nm 0.01nm， 向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分 辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 • 可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于 可实时地得到实空间中表面的三维图像， 具有周期性或不具备周期性的表面结构研究及表 面扩散等动态过程的研究。 面扩散等动态过程的研究。 • 可以观察单个原子层的局部表面结构，因而可直 可以观察单个原子层的局部表面结构， 接观察表面缺陷、表面重构、 接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态 和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。 和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
探针加工工艺流程
探针加工工艺流程一、原材料准备。
这就像是做菜得先准备食材一样。
对于探针加工呢，首先得选好合适的原材料。
一般来说呀，会用到一些金属材料，像钨啊、铱啊之类的。
这些材料可都是精挑细选的呢。
就拿钨来说，它硬度高，导电性也好，是做探针的好材料。
选材料的时候呀，得看材料的纯度，杂质太多可不行，就像交朋友，得找靠谱的。
而且这些原材料的规格也得符合要求，大小、形状都得对，不然后面加工起来就麻烦咯。
二、切割。
选好材料后就开始切割啦。
这个切割可不像咱们随便拿把剪刀剪纸那么简单。
那是有专门的设备的，像激光切割设备之类的。
这激光就像一把超级厉害的刀，唰的一下就能把原材料按照我们想要的长度给切好。
不过这过程也得小心呢，切得不好就浪费材料啦。
切割的时候工人师傅可得全神贯注，就像咱们打游戏的时候专注盯着屏幕，不能出一点差错。
而且切割出来的探针毛坯，尺寸要精准，不能有太大的偏差，不然后续加工就像盖房子地基没打好，整个都不稳当。
三、研磨。
切割好的探针毛坯就到研磨这一步啦。
研磨就像是给探针做美容一样。
工人师傅会把探针放在研磨机上，一点一点地把表面磨得光滑平整。
这个过程可考验耐心啦。
就像我们磨一块璞玉成美玉一样，得慢慢来。
研磨的时候要注意各个面的平整度，要是有一个面没磨好，那探针在使用的时候可能就会出问题。
而且不同的探针可能对研磨的精度要求还不一样呢。
比如说一些高精度的探针，研磨的误差得控制在非常小的范围内，这就像做精细的手工活，一点点都不能马虎。
四、清洗。
研磨完之后，探针上会有一些研磨的碎屑啊之类的脏东西。
这时候就得清洗啦。
清洗就像是给探针洗个澡，让它干干净净的。
会用一些专门的清洗液，把探针放在里面泡一泡，然后再用清水冲洗干净。
这清洗可不能敷衍了事哦。
要是清洗不干净，残留的碎屑可能会影响探针的性能。
就像我们洗脸，如果没洗干净就容易长痘痘一样，探针要是不干净，在使用的时候可能就会接触不良之类的。
五、检测。
清洗干净后的探针可不能就直接出厂啦。
探针加工方法
探針加工方法标题：探针加工方法：一种精密的微纳米制造技术一、引言探针加工方法，也称为探针纳米加工或探针诱导加工，是一种在微纳米尺度上进行精密加工的技术。
这种技术主要利用尖端直径微小的探针，通过精确控制其运动和施加力的方式，实现对材料的切割、雕刻、沉积等操作，广泛应用于微电子、生物医学、纳米科技等领域。
二、探针加工原理探针加工的核心是扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM），如原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）或扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）。
探针的尖端与样品表面接触或接近，通过探测两者之间的力变化或电子隧道效应，可以实现对样品表面的高精度成像和加工。
三、探针加工类型1. 探针切割加工：通过控制探针在样品表面的移动和施加的压力，实现对材料的切割或雕刻，可以制作出微小的结构或图案。
2. 探针沉积加工：利用探针将材料沉积到目标位置，例如在特定区域沉积金属或半导体，形成微电子元器件。
3. 探针诱导化学反应：探针可以作为催化剂，诱导特定的化学反应，从而改变材料的性质或结构。
四、探针加工的优势探针加工的主要优点在于其高精度和灵活性。
它可以加工各种材料，包括硬质的半导体、金属，以及软质的聚合物、生物组织等。
此外，探针加工可以在大气、液体甚至真空环境下进行，适应性强。
五、应用领域探针加工技术在微电子学、纳米光学、生物医学工程、材料科学等多个领域有重要应用。
例如，制造微电子设备的微电路、制备纳米级别的光学元件、进行生物分子的纳米级操纵等。
六、结论探针加工方法作为一种精密的微纳米制造技术，其高精度、灵活性和广泛应用性使其在科学研究和工业生产中占据重要地位。
随着技术的不断进步，探针加工方法将在未来的技术发展中发挥更大的作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
近场扫描光学显微镜(NSOM)
与STM和AFM的区别： 固体探针变成扫描光源 扫描光源是有极细尖端的玻璃 或石英光学纤维 光纤探针的外壁沉积一层金属 防止光波泄露 探针开口处形成一个极细光点 即光探针，光探针照射样品的 反射光由光子探测器接受，获得 样品的表面光学像。
STM曝光
传统电子束与STM曝光计量比较
相同曝光线宽STM曝光需要的曝光剂量更多
NSOM曝光
3种不同的探针结构
金属沉积层： 防止光泄露 孔径大
无金属沉积层 光泄露 孔径小
金属针尖 激光侧面照射 孔径小 40nm
NSOM曝光应用
适合对一些自组装单层膜(Self-assembled monolayer, SAM)的曝光 有些分子能够根据与衬底材料表面的亲和势而自动组 装形成紧密排列的单分子层 烷硫醇分子在金表面的自组装 NSOM曝光可以在烷硫醇分子层上形成小于光探针孔径 的图形
材料表面结构特征研究
STM 应用
槽宽=253.4nm 槽深=35.294nm 条宽=154.2nm
材料表面结构相变研究
STM 应用
两个Si原子的二聚体结构
单原子缺陷
结构发生变化
具有加热功能的STM研究Si结构相变
STM 应用
QUANTUM CORRAL (量子栅拦)
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
扫描探针显微镜的产生：1982年
原子力显微镜的构造
CCD CameraFra bibliotek激光头 扫描管
控制器 防震台
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
AFM 应用
纳米结构加工 用AFM技术能搬运分子、原子，构建纳米结构器件， 可以用AFM在某些金属表形成纳米级的点阵，以实 现超密度信息存储等等。
STM和AFM的区别
对样品要求：STM要求样品是导体或半导体，AFM 也可用于非导体 真空度：STM以来于隧道电流成像要求真空度高， AFM可在大气液体中测量
引言 扫描探针显微镜的产生及原理 扛蚀剂曝光加工 局部氧化加工 添加式纳米加工 抽减式纳米加工 高产出率扫描探针加工
扫描探针加工技术出现于扫描隧道显微镜发明以后 长时间使用STM观察硅后，在样品表面留下了一些 扫描线图形。 这些图形是表面局部氧化现象。 标志着扫描探针加工的开始。 扫描隧道显微镜STM,原子力显微镜AFM,近场扫描光 学显微镜NSOM 统称扫描探针显微镜SPM
AFM探针的针尖
原子力显微镜基本原理
检测器能精确检测 到反射激光光斑上 下左右的移动。 此信息经反馈系统 转化为控制压电扫 描器的电压信号。 样品表面每一点上 压电扫描器的起伏 信息被计算机记录, 经信号转换处理后 获得样品图象。
隧道电流法： 基于STM原理实现的。将微悬梁 看成样品，在微悬梁上还有一微小 探针接触。微悬梁和探针间施、加 一偏置电压，他们之间便产生了隧 道电流。当微悬梁因为和样品间的 原子间力的作用而位置发生改变， 那么他和探针之间的位置也发生相 应的变化，导致隧道电流发生指数 级的变化，那么测量原理就变成了 STM的测量原理了。
什么是扫描隧道显微镜
Scanning Tunnelling Microscope，扫描隧道显微镜
STM能干什么？
空间高分辨率: 横向0.1nm，纵向<0.01nm，
直接观察物质表面原子结构，进入微观世界。
STM怎么工作的？
量子隧道效应 + 精密机电控制 + 微弱信号处
理
11
经典物理学: 物体越过势垒，有一阈值能量；粒子 能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越 过。 量子力学: 即使粒子能量小于阈值，很多粒子冲向 势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去， 好像有一个隧道，故名隧道效应。就像在山坡上开 一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确 定性在微观上往往就具有不确定性。
扫描探针显微镜的原理
隧道效应是波动性的结果： 量子力学 微观粒子行为，具有波动性，粒子性 U(x)
U0
入射波+反射波 透射波
0
a
13
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度的物理下限…
扫描探针显微镜的原理
量子隧道效应
经典
量子
14
电子围绕原子核转一周大约需要150阿秒的时间(1阿 秒=10-18 秒)
4HF + SiO2 = SiF4 (气体）+ 2H2O 2HF + SiF4 = H2[SiF6]
局部加工氧化
影响局部氧化的因素 施加的探针偏压 探针扫描速度，即每点逗留时间 环境空气湿度： 湿度大形成散焦 局部氧化范围增加 二氧化硅线条变宽
SNOM图像： 玻璃表面 单层聚苯乙烯纳米球 （200nm）
SNOM加工：20nm的线 条图形
5.4 局部加工氧化
局部加工氧化
硅在空气中表面几个原子层厚的二氧化硅层，即氧化层 氢氟酸可以去除氧化层，留下一个单原子层氢原子即氢钝化 探针高电场下，108Vcm-1 水分子与氢原子反应使硅表面氧化 探针在表面扫描 氧化硅图形形成 可作刻蚀掩模
优点： 简单易操作 任何探针都可以附带进行纳米加工
局限性： 加工精度有限: 几十纳米 加工深度有限：几十纳米 加工速度低：扫描速度低，每秒微米亚微米 加工面积小：几十微米
扫描探针显微镜的产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
Ruska
1933年 Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微 镜
场电 子显 微镜
原子力显微镜基本原理
AFM是利用原子之间的范德华力 （Van Der Waals Force）作用来呈 现样品的表面特性。 两个原子之间的作用力与他们之间距 离有关 原子力显微镜就是利用原子之间微妙 的关系来把原子样子给呈现出来。
σ：原子的直径
r ： 原子之间的距离
原子力显微镜基本原理
将一个对微弱力极敏感的微悬臂一 端固定，另一端有一微小的针尖， 针尖与样品表面轻轻接触，
公认为20世纪80年代十大科技成就之一。 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在 1986年荣获诺贝尔物理学奖。
9
扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜（AFM）
近场扫描光学显微境 （SNOM） 弹道电子发射显微镜 （BEEM）
扫描力显微镜（SFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
STM 应用
QUANTUM MIRAGE (量子幻影)
Nature, Feb. 2000
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）
1985年，IBM公司的 Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原 子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可 以用来测量任何样品 的表面。
STM曝光
STM曝光最早报道于20世纪80年代 获得22nm宽的曝光线条，用金属溶脱工艺形成相 应的金属线条图形 STM做电子束曝光时，在恒电流模式，但电压比 STM成像电压要高，十几伏或几十伏电压
STM曝光
STM曝光的特点
1）要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过50nm 2）STM探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统 电子束曝光系统有透镜聚焦系统 3）STM曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大
通过控制针尖与样品表面的间距，并使针尖沿表面进行精
确的三维移动，就可把表面的信息(表面形貌和表面电子态) 记录下来。
18
扫描隧道显微镜系统基本组成示意图
极细探针与研究物质作为两个探极
针尖样品间距离：小于1nm 逐点扫描获得各点隧道电流谱
电路计算机信号处理
显示屏上显示原子排列结构
恒电流式：适观察表面形貌起伏较大样品。 恒高式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表 面起伏大于1nm 的样品。
激光检测法 二极管激光器发出的激光束经 过光学系统聚焦在微悬臂背面，并 从微悬臂背面反射到由光电二极管 构成的光斑位置检测器。在样品扫 描时，由于样品表面的原子与微悬 臂探针尖端的原子间的相互作用力， 微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起 伏，反射光束也将随之偏移，因而， 通过光电二极管检测光斑位置的变 化，就能获得被测样品表面形貌的 信息。目前的AFM都是采用这种检 测模式。
STM通过场致发射电子对抗蚀剂曝光 场致发射电流密度与电场强度有关 发射阀值电场强度 2×107Vcm-1 只有大于这个阀值 才能够发射电子 一旦发射，电流随 电场强度迅速增加
STM曝光
较低电压下，获得发射体表面高电场强度有两个办法 一是采用非常尖细的发射体 二是将发射体尽量靠近阳极电极 STM的结构和工作方式能够满足这两个条件 STM探针半径一般几纳米或几十纳米 STM探针与样品表面距离不超过10纳米 探针与样品间十几伏的电压即产生2×107Vcm-1以上 电场 如样品是涂覆抗蚀剂的平面材料，电子即可以导致抗 蚀剂曝光，机理类似低能电子束曝光 AFM以STM方式工作时，也可以实现抗蚀剂的曝光