原子操纵技术教学课件

原子操纵技术2021/4/171精品PPT

原子操纵技术或分子操纵技术，是一种纳米级微细加工技术，是一种从物质的微观入手并以此为基础构造微结构、制作微机械的方法。2021/4/172精品PPT1.扫描隧道显微镜（STM）单原子操纵技术

近年来，STM不仅使得人们的视野可以直接观察到物质表面上的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理，甚至可以操纵单个原子、这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术跨人到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工(纳米电子学)和分子切割(纳米生物学)的一个重要于段。2021/4/173精品PPT1.1扫描隧道显微镜单原子操纵和纳米加工技术

STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子或分子。最简单的方法是将针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上的原子的“电子云”重叠，有的电子为双方共享，就会产生一种与化学键相似的力。在一些场合下，这种力足以操纵表面上的原子。但是，为了更有效地操纵表面上的原子，通常在针尖和表面之间加上一定的能量，如电场蒸发，电流激励，光子激励等能量方式(如图所示)。2021/4/174精品PPTSTM单原子操纵原理图2021/4/175精品PPT单原子操纵

单原子操纵主要包括三个部分，即单原子的移动(Displacement)提取(Extraction)和放置(Deposition)。在单原子操纵过程中，根据STM针尖到样品表面的距离不同(图2—23)，其物理机理也不同。当距离较小时(<0.4nm)，单原子操纵将借助于STM针尖和样品表面之间的化学相互作用，因为随着针尖和表面间距离的减小，在相同偏置电压的条件下不仅使针尖和样品表面间的隧道电流大大增大(可以增大1-2数量级)，同时针尖和样品表面的“电子云”部分重叠，使两者之间的相互作用也大大增强。这类单原子操纵的常用方法是先将STM的恒电流反馈切断，然后再将针尖进一步移向样品，使针尖到样品表面间的距离小于0.4nm。2021/4/176精品PPT单原子操纵

当距离较大时(>0.6nm)时，STM针尖和样品表面之间的化学相互作用在单原子操纵过程中不起主导作用。这样，原子的操纵则主要取决于针尖和样品表面之间的纯电场或纯电流效应。这类单原子操纵的常用方法与前者正好相反，在操纵过程中STM的恒电流反馈始终处于工作状念，因此，针尖和样品表面之间的距离可以在电流反馈的控制下保持在预先设定的某个大于0.6nm的距离。采用这种方法，由于在针尖和样品表面之间不存在复杂的化学相互作用，因此可以比较容易地研究原子操纵过程中的物理机理。2021/4/177精品PPT单原子操纵

目前，使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在STM针尖和样品表面之间施加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。同样，吸附在STM针尖上的原子也有可能在强电场的蒸发下而沉积到样品的表面上，实现单原子的放置操纵。掌握好这种单原子操纵的电场蒸发机理就可以按照人们所期望的规律移动，提取和放置原子，实现单原子的可控操纵。以下将介绍这一领域所取得的部分研究进展。2021/4/178精品PPT1.1.1单原子的移动1.用STM搬迁移动氙原子

1990年，美国IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小组使用工作在超高真空和液氦温度(4.2K)条件下的STM成功地移动了吸附在Ni(110)表面上的惰性气体Xe原子，并用35个Xe原子排列成“IBM”字样，如图所示。这一研究立刻引起了世界上科学家们的极大兴趣并开创了用STM进行单原子操纵的先例。在Xe原子移动操纵过程中，他们只需将STM针尖下移并尽量地接近表面上的Xe原子，Xe原子与针尖顶部原子之间形成的范德华力和由于“电子云”重叠产生化学键力会使得Xe原子吸附在针尖上并将随针尖一起移动。2021/4/179精品PPTXe原子的移动过程2021/4/1710精品PPT9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:59:29PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。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、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3Xe原子的移动过程2021/4/1712精品PPT2.用STM搬迁移动CO分子

用同样的方法。Eigler等在1992年又成功地移动了吸附在Pt表面上的CO分子，并用这些CO分子排列成一个人的形状。这个CO分子人的高度才5nm。2021/4/1713精品PPT3.用STM搬迁移动铁原子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。2021/4/1714精品PPT3.用STM搬迁移动铁原子2021/4/1715精品PPT“原子”

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。2021/4/1716精品PPT“中国”1994年中科院北京真空物理实验室在Si（111）77表面利用STM针尖加电脉冲移走Si原子形成沟槽，写出了“中国”、“100”等字的图形结构，如图7-10所示。该项原子操纵技术被我国两院院士评为1994年十大科技进展之一。由于这些字的比划不是沿着Si（111）77晶胞的基矢方向，因此边界较为粗糙。2021/4/1717精品PPT球场状围栏

他们还在Cu表面上成功地用78个Fe原子组成了球场状围栏。2021/4/1718精品PPT4.用STM搬迁移动硅原子

自1993年以来，黄德欢研究小组使用工作在室温下的超高真空STM在Si表面上进行了大量的单原子操纵实验和理论研究。Si是半导体工业和微电子工业的基础。如果能够在Si表面进行单原子操纵，制备各种需要的原子尺度器件和人工结构，其意义是显而易见的。因此发展Si表面的原子操纵技术，具有更好的应用前景。2021/4/1719精品PPT用STM搬迁移动硅原子1993年，他们成功地在室温下移动了吸附在Si表面上的Si原子，如图所示。当将金属W制的STM针尖放在离这个Si原子的左上方1.0nm处，并施加一个-6v，10sm的电压脉冲后，这个原子从表面的一个稳态位置移动到另一个稳态位置。图(a)和(b)中十字号分别给出了该Si原子移动前后的位置。2021/4/1720精品PPT5.用STM搬迁移动C60大分子

用STM也可以移动吸附在样品表面上尺度较大的分子。图是在Cu表面上移动C60分子的一个实例。用STM针尖一个接一个地将C60分子有序地移动。其操作过程就像拨打中国的算盘珠子。不过作为算盘珠子的C60

分子实在是太小了，只有0.7nm。2021/4/1721精品PPT1.1.2单原子的提取1.从MoS2样品表面提取去除S原子

1991年，日立中央研究所(HCRL)曾经在室温条件下，应用电压脉冲方法成功地提取MoS2表面上的S原子并用遗留下的原子空穴构成了“PEACE’91HCRL”的字样。加工的字小于1.5nm，至今仍然保持着最小字的世界记录。2021/4/1722精品PPT2.从Si样品表面提取去除Si原子

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％。2021/4/1723精品PPT2.从Si样品表面提取去除Si原子

对于加工原子结构，仅能提取指定位置上的某个原子是不够的，而是能在指定的位置进行连续的原子操纵，包括提取和放置原子。下面举两个例子。在图(a)Si表面的5个角吸附原子已在12个对表面施加的电压脉冲(-5.5V，30ms)的电场蒸发作用下被移走；而图(b)5个中心吸附原子则是在9个相同的电压脉冲条件下被移走的。2021/4/1724精品PPT单原子提取的机理

单原子提取有各种可能的机理。一是在强电场的作用下，键断裂，自由原子通过表面扩散到达一新的位置(图a)；二是自由原子与STM针尖原子碰撞，而散射到一新的位置(图b)；三是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(图c)。2021/4/1725精品PPT3.单原子细线

当用STM在Si表面上有序并连续地提取单个原子从而加工出两条相隔一个原子宽度的单原子细线后，这两条单原子细线之间所留下的Si原子会自动重新组合，并偏离它们原来的位置而构成一条间隔均匀的直线单原子链，这种具有多个隧道结的单原子链可以用来研究单电子在原子尺度结构中的输运过程。后面图中，单原子链长度为13nm。图中的两条单原子细线是在-3.5V偏压条件下用Pt针尖沿着单原子细线的方向扫描而加工出来的这种现象增加了单原子操纵和结构加工的困难，同时也说明，在原子的尺度下，我们将不可能加工出所有我们所期望的原子结构和原子器件，这一点与基于光刻加工的微电子技术大不相同，在微米或亚微米尺度，人们可以加工出任何所期望的器件结构。2021/4/1726精品PPT3.单原子细线2021/4/1727精品PPT1.1.3单原子的放置STM还可以在电场蒸发的作用下将单个Si原子放置到表面上任意预定的位置。通俗地讲，根据被放置的原子的来源，单原子的放置可分为如下三种方式

(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：所放置的原子不是来源于STM针尖的材料而是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。以下介绍用这三种不同方法所做的原子放置的几个实例。2021/4/1728精品PPT1.铅笔法

图是用铅笔法将Au针尖材料放置到样品表面上的一个典型实例。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原了的场蒸发阈值)，可以将针尖上的Au原子源源不断地放置到Au表面上的预定位置，形成直径为10~20nm，高为1~2nm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。2021/4/1729精品PPT1.铅笔法2

图是放置针尖材料的另一个实例。这种方法可以加工出尺寸小得多的纳米点结构(直径为1-2nm)。实验时，首先将Pt材料的针尖向下移至非常接近Si表面的位置(约0.4nm)，再对样品表由施加一个3.0V，10ms的电压脉冲。2021/4/1730精品PPT1.铅笔法2

在实验过程中，由于STM始终工作在恒电流反馈的状态，所以在电流反馈的作用下针尖会往回收缩以维持恒定的隧道电流。这一动态过程使得针尖与样品之间的原子点接触被拉伸成一个纳米尺度的桥，直至断裂。纳米桥断裂后残留在表面上的Pt针尖材料构成了图示的纳米点。其中纳米点A和B分别由一个脉冲加工而成，它们的直径为1.5nm；纳米点C和D则分别施加了两个脉冲，它们的直径为2.0nm。。2021/4/1731精品PPT2.蘸水笔法

用W针尖从Si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。这是用蘸水笔法放置原子的通常方法。事实上，由于吸附在W针尖上的Si原子可以在适当电场的作用下不断扩散到针尖的最顶部，然后在电场的蒸发下从针尖上重新放置到样品的表面上。这是因为针尖最顶部的Si原子所受的电场强度远远大于位于平坦表面上的Si原子，它们总是先于表面上的Si原子而被蒸发并被放置到表面上来。另外，吸附在针尖最顶部的Si原子也要比W针尖上的W原子更容易被蒸发，因为W原子的电场蒸发阈值远大于Si原子。2021/4/1732精品PPT2.蘸水笔法实例

下图是用蘸水笔法放置单个Si原子的一个实例。图中用十字号指示的白点是加到表面上的Si原子。图片尺寸为5mn×5nm。2021/4/1733精品PPT蘸水笔法修补

单原子放置技术不仅可以将单个原子放置到样品的表面上，它也可以将单个原子放入表面上的单原子缺陷中去。如下图，实验时，将吸附有Sj原子的W针尖分别置于Si表面上每个Si单原子缺陷的上方然后再分别向缺陷内放置单个Si原子而修补表面上的缺陷。从图中不难看出，图(a)中箭头所指的五个单原子缺陷在图(b)中已经分别被放置的单个Si原子所修补。图片尺寸为6nm×6nm。2021/4/1734精品PPT蘸水笔法还原

再看一组图像，其中图(a)是原子操纵前的图像；图(b)是用STM连续放置3个Si单原子所构成的单原子链，而图(c)则是将图(b)中构成单原子链的3个Si单原子再移走后的图像。重要的是Si原子链被再移走后的图(c)和原子操纵前的图(a)完全一样。这表明在进行了一系列单原子操纵后并没有破坏材料表面上原始的原子结构。这也说明目前在Si表面上进行的单原子操纵技术已经达到了很高的控制程度；特别是利用STM加工的原子结构具有“可修改性”，这是其他器件制备方法所无法具备的。图片尺寸为6nm×6nm。2021/4/1735精品PPT3.钢笔法

用钢笔法在Si表面上加工异质原子结构。在充有一定氢气的条件下，当在针尖和表面之间施加一定的电压偏压时，氢气分子(H2)会在强电场的作用下分离成氢原子(H)并沉积吸附在Si表面上。图中的三角形结构是用加有+3.5