《扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要纳米技术即在纳米尺度对结构进行表征和操纵的技术，是一个十分重要的仍有待深入开发的领域。1982年GBinning和H.Rohrer发明的扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope,简称STM)，其水平分辨率达O.Olnm，垂直分辨率 可达0.001nm,使其在纳米尺度探测表面和界面结构成为可能。STM最惊人之处 是能测量出试样表面上的原子结构，因此被广泛地应用于物理学、化学、生命科 学等领域。在材料科学中，一个最具挑战性的当代目标是实现在纳米尺度上操纵 原子，而STM通过探针针尖和试样表面原子相互的作用使某种表面改性可能发 生。关键字：纳米技术，扫描隧道显
2、微镜，分辨率，操纵原子我们知道，STM通过隧道电流的变化可以观看到分辨率极高的物质表面状 态密度分布或者原子排列的图像。那么既然我们能够观看到原子的真实长相，我 们能不能去“动一动”原子呢？答案是肯定的，早在1990年，美国IBM公司的 两位科学家就发现，在用STM观察金属表面毎原子时，探针怎么移动，靠近探 针的毎原子也会作同样的移动。由此他们得到启发：如果让原子按照我们设想的 方案移动，那不就可以随便改变原子的排列顺序吗？于是他们经过22小时的努 力，由几十个毎原子排列成的IBM字样的字母被创造了出来（图1）依赖于STM这种能够操纵原子的工具,一门在0.1100nm尺度空间内研究 电子、原子
3、、分子运动规律和特性的崭新高技术学科及纳米科学技术诞生了出来。 他的最终目标是人类按照自己的意愿直接操纵单个原子，制造具有特定功能的新 产品。这种单原子操纵技术对纳米科学和纳米技术的发展有着重要的意义，具有 迷人的前景。比如，它使得人们有可能按照自己的意愿去组建各种结构和功能的 纳米器件，也可以对材料表面进行原子尺度的修饰，还可以合成、拆解分子来控 制化学反应的进程，等等。从操纵方式而言，根据Stroscio和E igler的划分，单原子操纵有横向操纵 和纵向操纵两种。横向操纵是指被操纵的原子在操纵过程中始终在表面上移动, 没有脱离表面的束缚，即原子和表面之间的键不曾断裂（图2）。纵向操纵是指
4、利 用探针把单个原子从表面提起使之吸附到探针上而脱离表面束缚，或再把原子 从探针重新释放到表面，因此在操纵过程中原子和表面之间的键会发生断裂（图 3）。AdsorbateSubstrateAdsorbateSubstrateAdsorbateSubstrate图2 STM横向操纵过程示意图图3 STM纵向操纵过程示意图横向操纵实验通常采用恒定电流模式，即保持操纵过程中STM电流不变， 而探针的高度（探针和表面的距离）在操纵过程中会发生改变。实验中一个完整的 横向操纵大致由三个基本步骤组成。操纵之初，STM 般处在成像模式（图2a）， 以便确定吸附原子的位置。第一步，调高隧道电流把STM探针下降
5、到被操纵原 子上方的某个合适高度以增强探针对吸附原子的作用力（图2b）。第二步，保持 STM工作在恒定电流模式，横向移动STM探针把吸附原子沿表面移动到某个 预定位置（图2c）。第三步，降低隧道电流以提升探针，STM重新回到成像模式, 把吸附原子留在预定位置（图2d）。纵向操纵，通常是在探针和表面之间施加强电场，通过改变电场的极性完成 提取和放置吸附原子。单原子提取有各种可能的机理： 在强电场的作用下，键断裂，自由原子通过表面扩散到达一新的位置（见图 4（ a）； 自由原子与STM针尖原子碰撞，而被散射到一新的位置（见图4（ b）； 自由原子先吸附在针尖上，然后在某种条件下，离开针尖，重新回到
6、样品表面(见图 4( c)。机理)机理2)机理图4单个原子提取的各种可能机理纵向操作单原子的放置有以下三种方式：(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；(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。利用这两种操纵方式人们对金属表面的单原子操纵进行了广泛研究，揭示了 各种操纵模式，内在机制及原子操纵技术的应用方向。迄今为止，世界上多个研究小组都能够实现对单原子的成功操纵，其中成绩 显著的
7、除了上面提到的E-igler等人之外，还有德国的Meyer研究小组。他们利 用STM在低温下(30- 40K)对Cu( 111), ( 211)等表面上单原子横向和纵向操纵 进行了系统研究。通过对吸附在Cu( 211)表面上的Cu原子、Pb原子和CO分 子的操纵，他们演示了三种横向操纵模式，即“拖动” “滑动”和“推动”模 式。其中拖动和滑动模式是依靠探针和原子之间的吸引力进行，而推动模式则主 要利用探针和原子之间的排斥力推动原子。这三种操纵模式可以根据探针高度的 变化曲线辨别来辨别。此外，他们还能利用探针从表面“挖掘”出单个原子：用 钝的钨探针从Cu( 211)表面的原子密排列中提取单个Cu
8、原子，还能将之重新填 充到原位，因而可对材料表面进行原子尺度的修饰。那么在这些操纵过程中，到底是什么机制使原子发生移动呢？研究发现，相 关机制有电场(流)作用，原子热运动及探针和原子之间的化学作用等。利用STM 进行的原子操纵其操纵机制主要分以下四类：(1) 电场蒸发法在ST M针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数 伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品表面之间的距离非常接近，仅为0. 31. 0 nm，因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产生一个强度在109 1010 V / m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下 被移动或提取，并在表面上
9、留下原子空穴，实现单原子的移动和提取操纵。1990 年Manin1等人用金探针的针尖作为金原子的源泉，在金试样表面上淀积了直径 为10nm、高为2.5nm的金山，并在带台阶的金表面形成金山列。其中淀积的发生 经由了离化继之以场蒸发的过程。从针尖到试样可以发生场蒸发，反之，从试样 向针尖转移物质也是可能的。证实这种现象的是Lyol.W.等人在Si (111)表面 上操纵Si原子和Si原子簇的工作。他们将针尖安放在离表面约0.3nm处，在针尖 上施加3V脉冲，通过场蒸发使Si原子和Si原子簇从表面移除，之后转移到针尖上， 然后再淀积在表面的另一期望位置。1993年细木等人在室温下同样对MoS2进行
10、 了原子操纵实验。操纵时施加的电场强度为18V/nm, S原子被成功地一个一个拔 出。(2) 利用原子间力探针尖端和试样原子间力主要是范德华力、静电力和浮悬力。当探针接近试 样时，由于原子间力的作用探针可能吸附或释放试样原子，当然此种吸附为物理 吸附。Crommie M.F.等人对吸附Fe原子的Cu (111)通过原子间力的操纵和控 制将48个Fe原子在Cu表面形成圆环状排列(图5)。与此同时，他们还在Cu(111) 表面上成功地用101个Fe原子写下“原子”二个迄今为止最小的汉字(图6)。(3) 利用化学反应Baba M.在利用化学反应的原子操纵技术上作了大胆尝试，并获得了成功。 工作者首先
11、在试样表面形成反应性气体吸附，利用STM的隧道能量，促使吸附 原子和试样表面原子间发生化学反应实现原子操纵。由于化学吸附原子与表面有 更强的相互作用，局部操纵可以更容易形成人造的有序结构。(4) 直接切削法用探针直接戳至试样表面对原子进行切割。IBM公司的研究人员通过将探 针插入一滴放在石墨表面的有机溶液中，然后在针头加一巨大的电压就可以在石 墨中的一个特定点固定住一个单分子，而用更大的电压脉冲还可将分子从石墨中 分离开甚至将其取出。美国新泽西州贝尔实验室的专家向人们展示了一个微观工 程的奇迹：将探针在锗晶体上短时间接触，同时在探针移动的过程中加以强大的 电压，可以将一个单独的锗原子安置在新的
12、地点。由此科学家预计今后的微观电 路也许只需在1个原子之间建立。既然人们能够操纵单个的原子，那么原子尺度器件有没有可能在将来的某天 被创造出来呢？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。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
13、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。单原子操作技术除了应用在原子尺度器件上，它还在信息读写储存上有着很 大的潜力。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。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
14、。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。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。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
15、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，看看我们用的闪存卡，即使是容量大到64G即约为 5.5*1011比特在1015比特面前也是遥不可及。试想如果我们能造出这样的原子级别储存器的话，我们世界最先进的大型计算机是不是可以直接装在袋里呢？参考文献1、孙旭平.扫描探针显微镜在纳米加工中的应用J.分析化学评论与进展,2003, 31(9): 1127-11302、 吴琪琳.利用STM技术的原子纳米尺度操纵J.新技术新工艺材料 与表面处理,2002, (4): 47-483、阳红梅，谢逸群.金属表面单原子操纵研究进展J.赣南师范学院学报,2009, (6): 42-454、黄德欢.扫描隧道显微镜单原子操纵技术及其物理机理J.上海交通大学 学报,2001, 35(2): 157-164
