研究生讀書報(bào)告納米制造之掃描探針顯微鏡

人高20億納米100萬(wàn)納米

針頭紅血球分子及DNA1千納米1

納米0.1

納米氫原子Earth1.2x107mInGreek,“nano”meansdwarf納米是一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1納米=10-9米。什么是納米(nanometer)？當(dāng)前1頁(yè)，總共41頁(yè)。神奇的納米結(jié)構(gòu)(nanostructure)

納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝一種新的體系，它包括一維、二維和三維體系。當(dāng)前2頁(yè)，總共41頁(yè)。人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪當(dāng)前3頁(yè)，總共41頁(yè)。納米軌道狀當(dāng)前4頁(yè)，總共41頁(yè)。美國(guó)軍方日前公布了取名為“毫微科技戰(zhàn)士”研發(fā)計(jì)劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電子游戲中才能看到的刀槍不入的“超級(jí)戰(zhàn)士”。美國(guó)未來(lái)“超級(jí)戰(zhàn)士”可能配備的裝備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包的軍服，自動(dòng)感知士兵身體情況并敷藥；有微涂層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由“鉸合分子”制造的比人體肌肉強(qiáng)壯10倍的“肌肉”，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和軍靴里，跳過(guò)高墻不在話下?！凹{米科技戰(zhàn)士”當(dāng)前5頁(yè)，總共41頁(yè)。未來(lái)的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個(gè)樣子當(dāng)前6頁(yè)，總共41頁(yè)。機(jī)器人配備納米“大腦”當(dāng)前7頁(yè)，總共41頁(yè)。國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展朗訊公司和牛津大學(xué):納米鑷子碳納米管“秤”，稱量一個(gè)病毒的重量稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”當(dāng)前8頁(yè)，總共41頁(yè)。納米科技的戰(zhàn)略地位

21世紀(jì)前20年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，納米技術(shù)將成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。目前，納米技術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代替微米尺度的生物技術(shù)。只有認(rèn)識(shí)它、發(fā)展它，才有可能在未來(lái)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的格局中占據(jù)主動(dòng)。當(dāng)前9頁(yè)，總共41頁(yè)。納米技術(shù)的支撐

—掃描隧道顯微加工技術(shù)掃描隧道顯微STM(ScanningTunnelingMicroscope)加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增添和排列重組，可實(shí)現(xiàn)極限的精加工，原子級(jí)的精加工。當(dāng)前10頁(yè)，總共41頁(yè)。SEM(掃描顯微鏡)AFM(原子力顯微鏡)STM(掃描隧道顯微鏡)當(dāng)前11頁(yè)，總共41頁(yè)。掃描顯微鏡的發(fā)展歷程

社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步總伴隨著工具的完善和革新。以顯微鏡來(lái)說(shuō)，發(fā)展至今可以說(shuō)是有了三代顯微鏡。這也使得人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，從微米級(jí)，亞微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)乃至原子分辨率。當(dāng)前12頁(yè)，總共41頁(yè)。

第一代為光學(xué)顯微鏡

1830年代后期為M.Schleide和T.Schmann所發(fā)明；它使人類“看”到了致病的細(xì)菌、微生物和微米級(jí)的微小物體，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)作用，至今仍是主要的顯微工具。當(dāng)前13頁(yè)，總共41頁(yè)。第二代為電子顯微鏡

20世紀(jì)三十年代早期盧斯卡(E.Ruska)發(fā)明了電子顯微鏡，使人類能”看”到病毒等亞微米的物體，它與光學(xué)顯微鏡一起成了微電子技術(shù)的基本工具。當(dāng)前14頁(yè)，總共41頁(yè)。第三代為掃描探針顯微鏡也可簡(jiǎn)稱為納米顯微鏡。1981年比尼格和羅勒發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)，使人類實(shí)現(xiàn)了觀察單個(gè)原子的原望；1985年比尼格應(yīng)奎特(C.F.Quate)發(fā)明了可適用于非導(dǎo)電樣品的原子力顯微鏡(AFM)，也具有原子分辨率，與掃描隧道顯微鏡一起構(gòu)建了掃描探針顯微鏡(SPM)系列。當(dāng)前15頁(yè)，總共41頁(yè)。三種觀察原子的方法比較

TEMX—衍射STM/AFM空間分辨率1--10?1?1?（Z：0.1?）樣品制備測(cè)量條件超薄切片真空結(jié)晶樣品mg級(jí)量近自然、液體μg--ng結(jié)構(gòu)信息2維平均結(jié)構(gòu)參數(shù)

三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)單個(gè)分子結(jié)構(gòu)、

局域結(jié)構(gòu)、

表面三維結(jié)構(gòu)圖像直觀擬合、重構(gòu)真實(shí)、直觀當(dāng)前16頁(yè)，總共41頁(yè)。三代顯微鏡的觀察范圍及典型物體

當(dāng)前17頁(yè)，總共41頁(yè)。掃描隧道電子顯微鏡

1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根據(jù)電子的隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope,STM），獲1986諾貝爾物理獎(jiǎng)。

目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡來(lái)觀察原子、分子和直接操縱安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z軸分辨率達(dá)到0.01nm。

當(dāng)前18頁(yè)，總共41頁(yè)。

掃描探針顯微鏡發(fā)展與展望

目前，STM/AFM已不僅僅限于觀察原子排列了，而已深深滲入微電子技術(shù)、生物技術(shù)、基因工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)、表面技術(shù)、信息技術(shù)和納米技術(shù)等各種尖端科學(xué)領(lǐng)域。尤其是用STM/AFM來(lái)操縱單原子、單分子技術(shù)，將使人類從目前的微米尺度上對(duì)材料的加工迅速跨入到納米尺度、原子尺度上的加工，完成單分子、單原子、單電子器件的制作，從而導(dǎo)致相關(guān)學(xué)科高速發(fā)展。在信息科學(xué)上，STM/AFM使信息存儲(chǔ)量大幅度提高；在生命科學(xué)中，STM完成物種再造；在材料科學(xué)中，STM/AFM創(chuàng)造新原子結(jié)構(gòu)材料，并可實(shí)現(xiàn)納米機(jī)械加工設(shè)備?？梢哉f(shuō)STM/AFM在微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、計(jì)量學(xué)、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

同時(shí)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有待于進(jìn)一步探討，如針尖效應(yīng)、體與面的差別，所以有待于進(jìn)一步的開發(fā)和研究。隨著STM/AFM技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)用戶的需要開展新的領(lǐng)域探索：如除了形貌成像外，STM/AFM希望還能探測(cè)電磁、摩擦和毛細(xì)力等不同相互作用力。當(dāng)前19頁(yè)，總共41頁(yè)。1990年，美國(guó)加州的IBM研究室等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個(gè)氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。這張放大了的照片登在《時(shí)代》周刊上，被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告。當(dāng)前20頁(yè)，總共41頁(yè)。

在Xe原子搬遷后，又實(shí)現(xiàn)了分子的搬遷排列。在鉑單晶的表面上、將吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬遷排列起來(lái)、構(gòu)成一個(gè)身高僅5nm的世界上最小的人的圖樣。用來(lái)構(gòu)成這圖樣的CO分子間距離僅為0.5nm,人們稱它為"一氧化碳小人"。當(dāng)前21頁(yè)，總共41頁(yè)。用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱48個(gè)Fe原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時(shí)與相內(nèi)傳播的電子相互干涉形成干涉波。當(dāng)前22頁(yè)，總共41頁(yè)。掃描隧道顯微鏡（STM）是如何工作的？工作原理——量子力學(xué)的隧道效應(yīng)兩個(gè)平板導(dǎo)體間的隧道效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置稍加改變即成為STM的雛形Z<1nmIT∝V·e-K0Z

Z：間隔距離

V：偏壓探針與樣品之間的縫隙就相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘，電子的隧道效應(yīng)使其可以穿過(guò)這個(gè)縫隙，形成電流，并且電流對(duì)探針與樣品之間的距離十分敏感，因此通過(guò)電流強(qiáng)度就可以知道到探針與樣品之間的距離當(dāng)前23頁(yè)，總共41頁(yè)。STM探針形狀測(cè)量和校正；STM最佳化應(yīng)用及不確定性評(píng)估；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的備；儀器性能的標(biāo)準(zhǔn)化；數(shù)值分析的標(biāo)準(zhǔn)化；制樣指南和標(biāo)準(zhǔn)制定。STM進(jìn)行納米測(cè)量還有一些問(wèn)題有待解決當(dāng)前24頁(yè)，總共41頁(yè)。1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學(xué)Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡(AFM)，彌補(bǔ)了STM的不足.當(dāng)前25頁(yè)，總共41頁(yè)。隧道效應(yīng)：經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過(guò)勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過(guò)，大于此能量則可以越過(guò)。例如騎自行車過(guò)小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過(guò)去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過(guò)去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)（quantumtunneling）?？梢?，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)前26頁(yè)，總共41頁(yè)。原子間范德華力圖1、原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。

當(dāng)前27頁(yè)，總共41頁(yè)。

在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡(contactAFM)，探針與試片的距離約數(shù)個(gè)?。（2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡(non-contactAFM)，探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百?。

當(dāng)前28頁(yè)，總共41頁(yè)。在生物醫(yī)學(xué)研究中，最常用的一種模式是敲擊模式(tappingAFM)：在敲擊模式中，一種恒定的驅(qū)使力使探針懸臂以一定的頻率振動(dòng)。當(dāng)針尖剛接觸樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值。在掃描過(guò)程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定，也就是說(shuō)作用在樣品上的力恒定，通過(guò)記錄壓電陶瓷管的移動(dòng)得到樣品表面形貌圖。當(dāng)前29頁(yè)，總共41頁(yè)。敲擊模式的優(yōu)越性：敲擊模式盡管沒有接觸模式的分辨率高，但是敲擊模式在一定程度上減小樣品對(duì)針尖的粘滯現(xiàn)象，因?yàn)獒樇馀c樣品表面接觸時(shí)，利用其振幅來(lái)克服針尖-樣品間的粘附力。并且由于敲擊模式作用力是垂直的，表面材料受橫向摩擦力和剪切力的影響都比較小，減小掃描過(guò)程中針尖對(duì)樣品的損壞。所以對(duì)于較軟以及粘附性較大的樣品，盡量選用敲擊模式。當(dāng)前30頁(yè)，總共41頁(yè)。硬件架構(gòu)：

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。當(dāng)前31頁(yè)，總共41頁(yè)。

力檢測(cè)部分：

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微懸臂(cantilever)來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。這微懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。當(dāng)前32頁(yè)，總共41頁(yè)。

位置檢測(cè)部分：

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂(cantilever)擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在cantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閏antilever擺動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供控制器作信號(hào)處理。當(dāng)前33頁(yè)，總共41頁(yè)。

反饋系統(tǒng)：

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。當(dāng)前34頁(yè)，總共41頁(yè)。原子力顯微鏡(AFM)便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，使用微小懸臂(cantilever)來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，測(cè)得作用力。這作用力會(huì)使cantilever擺動(dòng)，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)前35頁(yè)，總共41頁(yè)。當(dāng)前36頁(yè)，總共41頁(yè)。原子力顯微鏡的應(yīng)用AFM可以滿足多種不同樣品的要求，用于多種系統(tǒng)的成像量子點(diǎn)生物分子多聚體單體的自組裝當(dāng)前37頁(yè)，總共41頁(yè)。原子力顯微鏡對(duì)金的觀測(cè)煙草花葉病毒掃描圖沉積于云母片上的抗體分子的AFM成像?？諝庵校覝?。由于抗體分子沉積于支持物的方向不同，而表現(xiàn)出幾種形態(tài)。當(dāng)前38頁(yè)，總共41頁(yè)。AFM的缺點(diǎn)

受樣品因素限制較大（不可避免）.針尖易磨鈍&受污染（磨損無(wú)法修復(fù)；污染清洗困難）.針尖—樣品間作用力較小.當(dāng)前39頁(yè)，總共41頁(yè)?？偨Y(jié)

AFM利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，