原子操縱技術教學課件

原子操縱技術2021/4/171精品PPT

原子操縱技術或分子操縱技術，是一種納米級微細加工技術，是一種從物質的微觀入手并以此為基礎構造微結構、制作微機械的方法。2021/4/172精品PPT1.掃描隧道顯微鏡（STM）單原子操縱技術

近年來，STM不僅使得人們的視野可以直接觀察到物質表面上的原子及其結構并進而分析物質表面的化學和物理性質，它還使得人們可以在納米尺度上對材料表面進行各種加工處理，甚至可以操縱單個原子、這一特定的應用將會使人類從目前微米尺度的加工技術跨人到納米尺度和原子尺度，成為未來器件加工(納米電子學)和分子切割(納米生物學)的一個重要于段。2021/4/173精品PPT1.1掃描隧道顯微鏡單原子操縱和納米加工技術

STM的針尖不僅可以成像，還可以用于操縱表面上的原子或分子。最簡單的方法是將針尖下移，使針尖頂部的原子和表面上的原子的“電子云”重疊，有的電子為雙方共享，就會產生一種與化學鍵相似的力。在一些場合下，這種力足以操縱表面上的原子。但是，為了更有效地操縱表面上的原子，通常在針尖和表面之間加上一定的能量，如電場蒸發(fā)，電流激勵，光子激勵等能量方式(如圖所示)。2021/4/174精品PPTSTM單原子操縱原理圖2021/4/175精品PPT單原子操縱

單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動(Displacement)提取(Extraction)和放置(Deposition)。在單原子操縱過程中，根據STM針尖到樣品表面的距離不同(圖2—23)，其物理機理也不同。當距離較小時(<0.4nm)，單原子操縱將借助于STM針尖和樣品表面之間的化學相互作用，因為隨著針尖和表面間距離的減小，在相同偏置電壓的條件下不僅使針尖和樣品表面間的隧道電流大大增大(可以增大1-2數量級)，同時針尖和樣品表面的“電子云”部分重疊，使兩者之間的相互作用也大大增強。這類單原子操縱的常用方法是先將STM的恒電流反饋切斷，然后再將針尖進一步移向樣品，使針尖到樣品表面間的距離小于0.4nm。2021/4/176精品PPT單原子操縱

當距離較大時(>0.6nm)時，STM針尖和樣品表面之間的化學相互作用在單原子操縱過程中不起主導作用。這樣，原子的操縱則主要取決于針尖和樣品表面之間的純電場或純電流效應。這類單原子操縱的常用方法與前者正好相反，在操縱過程中STM的恒電流反饋始終處于工作狀念，因此，針尖和樣品表面之間的距離可以在電流反饋的控制下保持在預先設定的某個大于0.6nm的距離。采用這種方法，由于在針尖和樣品表面之間不存在復雜的化學相互作用，因此可以比較容易地研究原子操縱過程中的物理機理。2021/4/177精品PPT單原子操縱

目前，使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加適當幅值和寬度的電壓脈沖，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由于針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0.3-1.0nm，因此，在電壓脈沖的作用下，將會在針尖和樣品之間產生一個強度在109-1010V/m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發(fā)下被移動或提取，并在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發(fā)下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。掌握好這種單原子操縱的電場蒸發(fā)機理就可以按照人們所期望的規(guī)律移動，提取和放置原子，實現單原子的可控操縱。以下將介紹這一領域所取得的部分研究進展。2021/4/178精品PPT1.1.1單原子的移動1.用STM搬遷移動氙原子

1990年，美國IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小組使用工作在超高真空和液氦溫度(4.2K)條件下的STM成功地移動了吸附在Ni(110)表面上的惰性氣體Xe原子，并用35個Xe原子排列成“IBM”字樣，如圖所示。這一研究立刻引起了世界上科學家們的極大興趣并開創(chuàng)了用STM進行單原子操縱的先例。在Xe原子移動操縱過程中，他們只需將STM針尖下移并盡量地接近表面上的Xe原子，Xe原子與針尖頂部原子之間形成的范德華力和由于“電子云”重疊產生化學鍵力會使得Xe原子吸附在針尖上并將隨針尖一起移動。2021/4/179精品PPTXe原子的移動過程2021/4/1710精品PPT9、人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:59:29PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心，不寬余請。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個人炫耀什么，說明他內心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3Xe原子的移動過程2021/4/1712精品PPT2.用STM搬遷移動CO分子

用同樣的方法。Eigler等在1992年又成功地移動了吸附在Pt表面上的CO分子，并用這些CO分子排列成一個人的形狀。這個CO分子人的高度才5nm。2021/4/1713精品PPT3.用STM搬遷移動鐵原子1993年，Eigler等進一步將吸附在Cu表面上48個Fe原子逐個移動并排列成一圓形量子柵欄，如圖所示。這個圓形量子柵欄的直徑只有14.26nm，而且，由于金屬表面的白由電子被局限在柵欄內，從而形成了電子云密度分布的駐波形態(tài)。這是人類首次用原子組成具有特定功能的人工結構，它的科學意義無疑是十分重大的。2021/4/1714精品PPT3.用STM搬遷移動鐵原子2021/4/1715精品PPT“原子”

與此同時，他們還在Cu表面上成功地用101個Fe原子寫下“原子”二個迄今為止最小的漢字，如圖所示。采取這種十分簡單的方法就可以移動吸附在Cu表面上的Fe原子，是因為金屬原子Cu和Fe之間的結合(金屬鍵)比較弱，無須很大的力就可以將它們拉斷。2021/4/1716精品PPT“中國”1994年中科院北京真空物理實驗室在Si（111）77表面利用STM針尖加電脈沖移走Si原子形成溝槽，寫出了“中國”、“100”等字的圖形結構，如圖7-10所示。該項原子操縱技術被我國兩院院士評為1994年十大科技進展之一。由于這些字的比劃不是沿著Si（111）77晶胞的基矢方向，因此邊界較為粗糙。2021/4/1717精品PPT球場狀圍欄

他們還在Cu表面上成功地用78個Fe原子組成了球場狀圍欄。2021/4/1718精品PPT4.用STM搬遷移動硅原子

自1993年以來，黃德歡研究小組使用工作在室溫下的超高真空STM在Si表面上進行了大量的單原子操縱實驗和理論研究。Si是半導體工業(yè)和微電子工業(yè)的基礎。如果能夠在Si表面進行單原子操縱，制備各種需要的原子尺度器件和人工結構，其意義是顯而易見的。因此發(fā)展Si表面的原子操縱技術，具有更好的應用前景。2021/4/1719精品PPT用STM搬遷移動硅原子1993年，他們成功地在室溫下移動了吸附在Si表面上的Si原子，如圖所示。當將金屬W制的STM針尖放在離這個Si原子的左上方1.0nm處，并施加一個-6v，10sm的電壓脈沖后，這個原子從表面的一個穩(wěn)態(tài)位置移動到另一個穩(wěn)態(tài)位置。圖(a)和(b)中十字號分別給出了該Si原子移動前后的位置。2021/4/1720精品PPT5.用STM搬遷移動C60大分子

用STM也可以移動吸附在樣品表面上尺度較大的分子。圖是在Cu表面上移動C60分子的一個實例。用STM針尖一個接一個地將C60分子有序地移動。其操作過程就像撥打中國的算盤珠子。不過作為算盤珠子的C60

分子實在是太小了，只有0.7nm。2021/4/1721精品PPT1.1.2單原子的提取1.從MoS2樣品表面提取去除S原子

1991年，日立中央研究所(HCRL)曾經在室溫條件下，應用電壓脈沖方法成功地提取MoS2表面上的S原子并用遺留下的原子空穴構成了“PEACE’91HCRL”的字樣。加工的字小于1.5nm，至今仍然保持著最小字的世界記錄。2021/4/1722精品PPT2.從Si樣品表面提取去除Si原子

當將STM針尖置于Si表面上某個預定的Si原子上方約1.0nm處，然后對表面施加一個-5.5V，30ms的電壓脈沖時，這個Si原子能夠在電場蒸發(fā)的作用下而被提取。圖(a)和(b)分別給出了施加電壓脈沖前后相同原子表面處的STM圖像，由圖中可以看出，圖(a)中箭頭所指的Si原子在圖(b)中已經被提取。目前，這種單原子操縱實驗的重復精度已經可以達到30％-40％。2021/4/1723精品PPT2.從Si樣品表面提取去除Si原子

對于加工原子結構，僅能提取指定位置上的某個原子是不夠的，而是能在指定的位置進行連續(xù)的原子操縱，包括提取和放置原子。下面舉兩個例子。在圖(a)Si表面的5個角吸附原子已在12個對表面施加的電壓脈沖(-5.5V，30ms)的電場蒸發(fā)作用下被移走；而圖(b)5個中心吸附原子則是在9個相同的電壓脈沖條件下被移走的。2021/4/1724精品PPT單原子提取的機理

單原子提取有各種可能的機理。一是在強電場的作用下，鍵斷裂，自由原子通過表面擴散到達一新的位置(圖a)；二是自由原子與STM針尖原子碰撞，而散射到一新的位置(圖b)；三是自由原子先吸附在針尖上，然后在某種條件下，離開針尖，重新回到樣品表面(圖c)。2021/4/1725精品PPT3.單原子細線

當用STM在Si表面上有序并連續(xù)地提取單個原子從而加工出兩條相隔一個原子寬度的單原子細線后，這兩條單原子細線之間所留下的Si原子會自動重新組合，并偏離它們原來的位置而構成一條間隔均勻的直線單原子鏈，這種具有多個隧道結的單原子鏈可以用來研究單電子在原子尺度結構中的輸運過程。后面圖中，單原子鏈長度為13nm。圖中的兩條單原子細線是在-3.5V偏壓條件下用Pt針尖沿著單原子細線的方向掃描而加工出來的這種現象增加了單原子操縱和結構加工的困難，同時也說明，在原子的尺度下，我們將不可能加工出所有我們所期望的原子結構和原子器件，這一點與基于光刻加工的微電子技術大不相同，在微米或亞微米尺度，人們可以加工出任何所期望的器件結構。2021/4/1726精品PPT3.單原子細線2021/4/1727精品PPT1.1.3單原子的放置STM還可以在電場蒸發(fā)的作用下將單個Si原子放置到表面上任意預定的位置。通俗地講，根據被放置的原子的來源，單原子的放置可分為如下三種方式

(1)鉛筆法：所放置的原子直接來源于STM針尖的材料。

(2)蘸水筆法：所放置的原子不是來源于STM針尖的材料而是先用針尖從樣品上的某處提取一些原子，然后再將這些吸附在針尖上的原子一個一個地放置到所需的特定的位置上去。

(3)鋼筆法：這種方式則是尋找一種方法將某種所需的原子源源不斷地供給到STM針尖上，再源源不斷地放置到樣品表面上去。以下介紹用這三種不同方法所做的原子放置的幾個實例。2021/4/1728精品PPT1.鉛筆法

圖是用鉛筆法將Au針尖材料放置到樣品表面上的一個典型實例。當在Au的針尖和表面之間施加-3.5~-4.0V(針尖為負)的電壓脈沖時(此值高于Au原了的場蒸發(fā)閾值)，可以將針尖上的Au原子源源不斷地放置到Au表面上的預定位置，形成直徑為10~20nm，高為1~2nm的納米點結構。用這些納米點描繪的世界地圖十分微小，直徑僅為1um。2021/4/1729精品PPT1.鉛筆法2

圖是放置針尖材料的另一個實例。這種方法可以加工出尺寸小得多的納米點結構(直徑為1-2nm)。實驗時，首先將Pt材料的針尖向下移至非常接近Si表面的位置(約0.4nm)，再對樣品表由施加一個3.0V，10ms的電壓脈沖。2021/4/1730精品PPT1.鉛筆法2

在實驗過程中，由于STM始終工作在恒電流反饋的狀態(tài)，所以在電流反饋的作用下針尖會往回收縮以維持恒定的隧道電流。這一動態(tài)過程使得針尖與樣品之間的原子點接觸被拉伸成一個納米尺度的橋，直至斷裂。納米橋斷裂后殘留在表面上的Pt針尖材料構成了圖示的納米點。其中納米點A和B分別由一個脈沖加工而成，它們的直徑為1.5nm；納米點C和D則分別施加了兩個脈沖，它們的直徑為2.0nm。。2021/4/1731精品PPT2.蘸水筆法

用W針尖從Si樣品表面上提取Si原子并移至所期望的位置后，施加適當的電壓脈沖就可以將提取的Si原子逐個放置到表面上所期望的位置。這是用蘸水筆法放置原子的通常方法。事實上，由于吸附在W針尖上的Si原子可以在適當電場的作用下不斷擴散到針尖的最頂部，然后在電場的蒸發(fā)下從針尖上重新放置到樣品的表面上。這是因為針尖最頂部的Si原子所受的電場強度遠遠大于位于平坦表面上的Si原子，它們總是先于表面上的Si原子而被蒸發(fā)并被放置到表面上來。另外，吸附在針尖最頂部的Si原子也要比W針尖上的W原子更容易被蒸發(fā)，因為W原子的電場蒸發(fā)閾值遠大于Si原子。2021/4/1732精品PPT2.蘸水筆法實例

下圖是用蘸水筆法放置單個Si原子的一個實例。圖中用十字號指示的白點是加到表面上的Si原子。圖片尺寸為5mn×5nm。2021/4/1733精品PPT蘸水筆法修補

單原子放置技術不僅可以將單個原子放置到樣品的表面上，它也可以將單個原子放入表面上的單原子缺陷中去。如下圖，實驗時，將吸附有Sj原子的W針尖分別置于Si表面上每個Si單原子缺陷的上方然后再分別向缺陷內放置單個Si原子而修補表面上的缺陷。從圖中不難看出，圖(a)中箭頭所指的五個單原子缺陷在圖(b)中已經分別被放置的單個Si原子所修補。圖片尺寸為6nm×6nm。2021/4/1734精品PPT蘸水筆法還原

再看一組圖像，其中圖(a)是原子操縱前的圖像；圖(b)是用STM連續(xù)放置3個Si單原子所構成的單原子鏈，而圖(c)則是將圖(b)中構成單原子鏈的3個Si單原子再移走后的圖像。重要的是Si原子鏈被再移走后的圖(c)和原子操縱前的圖(a)完全一樣。這表明在進行了一系列單原子操縱后并沒有破壞材料表面上原始的原子結構。這也說明目前在Si表面上進行的單原子操縱技術已經達到了很高的控制程度；特別是利用STM加工的原子結構具有“可修改性”，這是其他器件制備方法所無法具備的。圖片尺寸為6nm×6nm。2021/4/1735精品PPT3.鋼筆法

用鋼筆法在Si表面上加工異質原子結構。在充有一定氫氣的條件下，當在針尖和表面之間施加一定的電壓偏壓時，氫氣分子(H2)會在強電場的作用下分離成氫原子(H)并沉積吸附在Si表面上。圖中的三角形結構是用加有+3.5