掃描隧道顯微鏡(STM)單原子操縱技術(shù)

1、一、掃描隧道顯微鏡（STM）單原子操縱技術(shù)的發(fā)展 1990年，美國IBM公司的兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在用STM觀察金屬表面的氙原子時，探針作怎樣的移動，靠近探針的氙原子也作同樣的移動。由此他們得到啟發(fā)：如果讓原子按照我們設(shè)想的方案移動，不久可以隨意擺布原子的排列順序了嗎？于是，科學(xué)家們就用這樣的方法進行“原子書法”即用原子寫字。經(jīng)過了22個小時的操作，他們把幾十個氙原子排成了“IBM”字樣，這幾個字母的高度大約是一般印刷用字母的二百萬分一。 依賴于STM這種能夠操縱原子的工具，誕生了一門在01100納米尺度空間內(nèi)研究電子、原子、分子運動規(guī)律和特性的嶄新高技術(shù)學(xué)科納米科學(xué)技術(shù)，它的最終目標是人類按照自

2、己的意志直接操縱單個原子，制造具有特定功能的新產(chǎn)品。已有科學(xué)家利用這種控制原子的技術(shù)，制成了世界上最小的開關(guān)“原子開關(guān)”。這種開關(guān)就是利用單個原子在有目的的控制下，進行上下往復(fù)運動，接通或斷開電路，從而起到開關(guān)作用。運用這種技術(shù)，人類對DNA（脫氧核糖核酸）分子的切割已取得成功。這意味著不久的將來人類可以按照自己的意愿將不同種屬個體的基因任意重組傳遞，設(shè)計合成新的蛋白質(zhì)，制造出新的物種。利用納米技術(shù)制造的材料在聲、光、電磁、熱力學(xué)等方面有一些奇異的特征，被美國材料科學(xué)學(xué)會譽為“21世紀最有前途的材料”。二、掃描隧道顯微鏡（STM）單原子操縱的方式 單原子操縱有橫向操縱橫向操縱和縱向操縱縱向操縱

3、兩種.。 橫向操縱是指被操縱的原子在操縱過程中始終在表面上移動, 沒有脫離表面的束縛, 即原子和表面之間的鍵不曾斷裂。它又包括“牽引” “滑動和“推動” 3 種方式。 縱向操縱是指利用探針把單個原子從表面提起使之吸附到探針上而脫離表面束縛, 或再把原子從探針重新釋放到表面, 因此在操縱過程中原子和表面之間的鍵會發(fā)生斷裂。橫向操縱實驗通常采用恒定電流模式，即保持操縱過程中STM電流不變，而探針的高度(探針和表面的距離)在操縱過程中會發(fā)生改變。實驗中一個完整的橫向操縱大致由三個基本步驟組成。操縱之初，STM 一般處在成像模式，以便確定吸附原子的位置。第一步，調(diào)高隧道電流把STM 探針下降到被操縱原

4、子上方的某個合適高度以增強探針對吸附原子的作用力。第二步，保持STM工作在恒定電流模式，橫向移動STM 探針把吸附原子沿表面移動到某個預(yù)定位置 。第三步, 降低隧道電流以提升探針，STM重新回到成像模式， 把吸附原子留在預(yù)定位置。 縱向操縱, 通常是在探針和表面之間施加強電場，通過改變電場的極性完成提取提取和放置放置吸附原子。 單原子提取有各種可能的機理： 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( 見圖( a) ) ； 自由原子與STM 針尖原子碰撞，而被散射到一新的位置( 見圖( b) ) ； 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( 見圖

5、( c) ) 。 縱向操作單原子的放置有以下三種方式： （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：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。1、鉛筆法放置原子當在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原子的場蒸發(fā)閾值），可以將針尖上的Au原子團源源不斷地放置到Au表面上的預(yù)定位置，形成直徑為1020nm。高為l2 nm的納米點結(jié)構(gòu)。用這些納米點

6、描繪的世界地圖十分微小，直徑僅為1um。2、蘸水筆法放置原子n用W針尖從 Si(111）樣品表面上提取Si原子并移至所期望的位置后，施加適當?shù)碾妷好}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3、鋼筆法放置原子氫氣分子在強電場的作用下分離成氫原子并沉積吸附在 Si（111）表面上形成圖中的三角形結(jié)構(gòu)。這種原子放置過程是先將H原子源源不斷地供給到STM針尖上，再源源不斷地放置樣品表面上去，猶如用鋼筆寫字。三、掃描隧道顯微鏡（STM）單原子操縱的機制 1、電場蒸發(fā)法在 在ST M 針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈沖，一般為數(shù)伏電壓和數(shù)十毫秒寬度。由于針尖和樣品表面之間的距離非

7、常接近,僅為0. 31. 0 nm，因此在電壓脈沖的作用下，將會在針尖和樣品之間產(chǎn)生一個強度在1091010 V / m數(shù)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(xiàn)單原子的移動和提取操縱。 當將STM針尖置于Si表面上某個預(yù)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(jīng)被提取。目前，這種單原子操縱實驗的重復(fù)精度已經(jīng)可以達到30

8、-40。 2、利用原子間力 探針尖端和試樣原子間力主要是范德華力、靜電力和浮懸力。當探針接近試樣時，由于原子間力的作用探針可能吸附或釋放試樣原子，當然此種吸附為物理吸附。 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?xùn)艡?，如圖所示。這個圓形量子?xùn)艡诘闹睆街挥?4.26nm，而且，由于金屬表面的白由電子被局限在柵欄內(nèi)，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(jié)構(gòu)，它的科學(xué)意義無疑是十分重大的。 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

9、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(jié)合(金屬鍵)比較弱，無須很大的力就可以將它們拉 斷。 3、利用化學(xué)反應(yīng) 工作者首先在試樣表面形成反應(yīng)性氣體吸附，利用STM的隧道能量，促使吸附原子和試樣表面原子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)原子操縱。由于化學(xué)吸附原子與表面有更強的相互作用，局部操縱可以更容易形成人造的有序結(jié)構(gòu)。 4、直接切削法 用探針直接戳至試樣表面對原子進行切割。IBM公司的研究人員通過將探針插入一滴放在石墨表面的有機溶液中，然后在針頭加一巨大的電壓就可以在石墨中的一個特定點固定住一個單分子，而用更大的電壓脈沖還可將分子從石墨中分離開甚至將其取出。四、掃描隧道顯微鏡（

10、STM）單原子操縱的應(yīng)用 原子尺度器件應(yīng)用的可能性： 早在1959年，著名物理學(xué)家Feynman曾對未來的物理學(xué)作了一個精彩的預(yù)言：當人類能在原子的尺寸上進行操縱時，我們將得到具有大量獨特性質(zhì)的物質(zhì)，能夠做許多與現(xiàn)在不同的事情，如果能夠在原子和分子水平上制造材料和器件，就會有許多令人激動的嶄新發(fā)現(xiàn)。 Xe(氙)單原子開關(guān)： 1990年，Eigler研究小組使用 STM成功地移動了吸附在 Ni（ 110）表面上的Xe原子。后來，他們在控制Xe原子時進一步發(fā)現(xiàn)，當改變STM針尖和Ni（110）表面之間的偏置電壓及其極性時Xe原子會在STM針尖和Ni（110）表面之間移動且總是移向處于正極性的一端。

11、并且，當Xe原子與針尖接觸時STM隧道結(jié)處于高導(dǎo)電狀態(tài)；而當Xe原子回到Ni表面上時STM隧道結(jié)處于低導(dǎo)電狀態(tài)。這實際上是一個由Xe原子構(gòu)成的超高速雙穩(wěn)態(tài)電子開關(guān)。 單原子存儲器： 單原子操縱的實驗結(jié)果能夠滿足存儲器的這些最基本的功能。這里有兩種可能性：第一種可能性是用表面上單原子的空穴作為一個比特來存儲信息。那么上述單原子操縱中從表面上移走單個原子而在表面上加工出單原子空穴的結(jié)果則可以用來寫入信息；而用單原子修補表面缺陷則既可以用來刪除已寫入的信息又可以用來清除表面上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。 第二種可能性是用放置到表面上的單個原子作為一個比特來存儲信息。那么上述單原子操縱中向表面放置單個原子的結(jié)果則可以用來寫入信息；而施加原子后再移走的結(jié)果則既可以用來刪除被寫入的信息又可以用來清除沉積在表面吸附原子上面的原子所