研究生读书报告纳米制造之扫描探针显微镜

三种观察原子的方法比较
空间分辨率 样品制备 测量条件 结构信息
图像
TEM
X—衍射
STM/AFM
1--10Ǻ
1Ǻ
1 Ǻ（Z：0.1 Ǻ）
超薄切片真空 2维
结晶样品 mg级量
平均结构参数 三维内部结构
直观
拟合、重构
近自然、液体 μg--ng
单个分子结构、 局域结构、
表面三维结构 真实、直观
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描隧道显微镜（STM）是如何工作的？
工作原理——量子力学的隧道效应
两个平板导体间的隧道效 应实验装置稍加改变即成 为STM的雏形
Z<1nm IT ∝V·e-K0Z Z：间隔距离 V：偏压
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑 或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。
人工组装合成的纳米结构的体系
纳米齿轮
纳米轨道状
“纳米科技战士”
美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士” 研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子 游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战士”。 美国未来“超级战士”可能配备的装备有：埋 有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打 闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知 士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵 抗生化武器袭击；由“铰合分子”制造的比人 体肌肉强壮10倍的“肌肉”，这种人造肌肉 一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在 话下。
同时，对检测结果有待于进一步探讨，如针尖效应、体与面的差别， 所以有待于进一步的开发和研究。随着STM/AFM技术的发展，可以根 据用户的需要开展新的领域探索：如除了形貌成像外，STM/AFM希望
还能探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力。
•1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler 等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的 表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。 这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称 为当年最了不起的公司广告。
在Xe原子搬迁后， 又实现了分子的搬迁 排列。在铂单晶的表 面上、将吸附的一氧 化碳分子(CO)用STM 搬迁排列起来、构成 一个身高仅5nm的世 界上最小的人的图样。 用来构成这图样的CO 分子间距离仅为 0.5nm, 人们称它为 " 一氧化碳小人"。
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子， 使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减 小，同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。
扫描隧道电子显微镜
1981年，IBM公司的G. Binning和H. Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫 描隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），获1986 诺贝尔物理奖。 目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排 原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01 nm。
STM(扫描隧道显微镜)
扫描显微镜的发展历程
社会发展、科技进步总伴随着工具的完善 和革新。以显微镜来说，发展至今可以说是 有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世 界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级 发展到纳米级乃至原子分辨率。
第一代为光学显微镜
1830年代后期为 M.Schleide和T.Schmann 所发明；它使人类“看”到 了致病的细菌、微生物和微 米级的微小物体，对社会的 发展起了巨大的促进作用， 至今仍是主要的显微工具。
第二代为电子显微镜
20世纪三十年代早期卢斯卡 (E.Ruska)发明了电子显微镜， 使人类能”看”到病毒等亚微 米的物体，它与光学显微镜一 起成了微电子技术的基本工具。
第三代为扫描探针显微镜
也可简称为纳米显微镜。1981 年比尼格和罗勒发明了扫描隧 道显微镜(STM)，使人类实现 了观察单个原子的原望；1985 年比尼格应奎特(C.F.Quate) 发明了可适用于非导电样品的 原子力显微镜(AFM)，也具有 原子分辨率，与扫描隧道显微 镜一起构建了扫描探针显微镜 (SPM)系列。
纳米技术的支撑
—扫描隧道显微加工技术 扫 描 隧 道 显 微 STM (Scanning Tunneling
Microscope) 加工技术是纳米加工技术中的最新发展， 可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，可实现 极限的精加工，原子级的精加工。
AFM(原子力显微镜)
SEM(源自文库描显微镜)
Earth 1.2 x 10什7m 么是纳米(nanometer)？
• In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。
人高
针头
红血球
分子及DNA
100万 纳米
1千 纳米
20亿 纳米
1 纳米
氢原子 0.1 纳米
神奇的纳米结构(nanostructure)
扫描探针显微镜发展与展望
目前，STM/AFM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STM/AFM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，STM/AFM使信息 存储量大幅度提高；在生命科学中，STM完成物种再造；在材料科学中 ，STM/AFM创造新原子结构材料，并可实现纳米机械加工设备。可以 说STM/AFM在微电子学、微机械学、计量学、化学和生物医学等领域 中有广泛的应用前景。
未来的美军作战服可能就是这个样子
机器人配备纳米“大脑”
国外纳米技术进展
• 朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 • 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 • 称量单个原子重量的“纳米秤”
纳米科技的战略地位
21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成 为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技 术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳 加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代 替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在 未来经济竞争的格局中占据主动。