扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术.ppt

扫描隧道显微镜 STM 单原子操纵技术 一 扫描隧道显微镜 STM 单原子操纵技术的发展 1990年 美国IBM公司的两位科学家发现 在用STM观察金属表面的氙原子时 探针作怎样的移动 靠近探针的氙原子也作同样的移动 由此他们得到启发 如果让原子按照我们设想的方案移动 不久可以随意摆布原子的排列顺序了吗 于是 科学家们就用这样的方法进行 原子书法 即用原子写字 经过了22个小时的操作 他们把几十个氙原子排成了 IBM 字样 这几个字母的高度大约是一般印刷用字母的二百万分一 依赖于STM这种能够操纵原子的工具 诞生了一门在0 1 100纳米尺度空间内研究电子 原子 分子运动规律和特性的崭新高技术学科 纳米科学技术 它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子 制造具有特定功能的新产品 已有科学家利用这种控制原子的技术 制成了世界上最小的开关 原子开关 这种开关就是利用单个原子在有目的的控制下 进行上下往复运动 接通或断开电路 从而起到开关作用 运用这种技术 人类对DNA 脱氧核糖核酸 分子的切割已取得成功 这意味着不久的将来人类可以按照自己的意愿将不同种属个体的基因任意重组传递 设计合成新的蛋白质 制造出新的物种 利用纳米技术制造的材料在声 光 电磁 热力学等方面有一些奇异的特征 被美国材料科学学会誉为 21世纪最有前途的材料 二 扫描隧道显微镜 STM 单原子操纵的方式 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 它又包括 牵引 滑动和 推动 3种方式 纵向操纵是指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 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一般处在成像模式 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 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 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 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 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 b 自由原子先吸附在针尖上 然后在某种条件下 离开针尖 重新回到样品表面 见图 c 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 1 铅笔法放置原子 当在Au的针尖和表面之间施加 3 5 4 0V 针尖为负 的电压脉冲时 此值高于Au原子的场蒸发阈值 可以将针尖上的Au原子团源源不断地放置到Au表面上的预定位置 形成直径为10 20nm 高为l 2nm的纳米点结构 用这些纳米点描绘的世界地图十分微小 直径仅为1um 2 蘸水笔法放置原子 用W针尖从Si 111 样品表面上提取Si原子并移至所期望的位置后 施加适当的电压脉冲就可以将提取的Si原子逐个放置到表面上所期望的位置 3 钢笔法放置原子 氢气分子在强电场的作用下分离成氢原子并沉积吸附在Si 111 表面上形成图中的三角形结构 这种原子放置过程是先将H原子源源不断地供给到STM针尖上 再源源不断地放置样品表面上去 犹如用钢笔写字 三 扫描隧道显微镜 STM 单原子操纵的机制 1 电场蒸发法在在STM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 3 1 0nm 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 1010V 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 并在表面上留下原子空穴 实现单原子的移动和提取操纵 当将STM针尖置于Si表面上某个预定的Si原子上方约1 0nm处 然后对表面施加一个 5 5V 30ms的电压脉冲时 这个Si原子能够在电场蒸发的作用下而被提取 图 a 和 b 分别给出了施加电压脉冲前后相同原子表面处的STM图像 由图中可以看出 图 a 中箭头所指的Si原子在图 b 中已经被提取 目前 这种单原子操纵实验的重复精度已经可以达到30 40 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 1993年 Eigler等进一步将吸附在Cu表面上48个Fe原子逐个移动并排列成一圆形量子栅栏 如图所示 这个圆形量子栅栏的直径只有14 26nm 而且 由于金属表面的白由电子被局限在栅栏内 从而形成了电子云密度分布的驻波形态 这是人类首次用原子组成具有特定功能的人工结构 它的科学意义无疑是十分重大的 与此同时 他们还在Cu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 如图所示 采取这种十分简单的方法就可以移动吸附在Cu表面上的Fe原子 是因为金属原子Cu和Fe之间的结合 金属键 比较弱 无须很大的力就可以将它们拉断 3 利用化学反应工作者首先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 四 扫描隧道显微镜 STM 单原子操纵的应用 原子尺度器件应用的可能性 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 Xe 氙 单原子开关 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 单原子存储器 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 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