原子力显微镜(AFM)课件.ppt

1、n1986年，Binning等发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscope）n类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等n与STM主要不同点：用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM中的探测微小隧道电流。正是由于AFM工作时不需要探测隧道电流，所以可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）AFM的工作原理的工作原理 AFM的工作原理AFM的图象是通过在样品表面上扫描时测量微悬臂受力弯曲后偏转的程度得到的。采用不同的微悬臂的检测方式就构成了不同的AFM工作原理

2、 AFM微悬臂偏转的检测方法微悬臂偏转的检测方法n隧道电流检测法n光学干涉测量法n光束偏转测量法n电容测量法隧道电流检测法隧道电流检测法 通过测量微悬臂与STM针尖之间隧道电流的变化来检测微悬臂的偏转。优点是灵敏度高，缺点是信噪比低，不适合工作在大气条件图图10-9 光学干涉测量法光学干涉测量法 利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移（或偏振光的相移）及微悬臂偏转的幅度图图10-10 光束偏转测量法光束偏转测量法 在微悬臂上的顶部设置一枚微小的镜子，通过检测小镜子上反射光束的偏转就可以得到微悬臂偏转的信息图图10-11 电容测量法电容测量法 微悬臂构成平行平板电容器的一块平板之一，而另一

3、块平板则平行地位于微悬臂的上方。微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到n原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足原子力显微镜的特点原子力显微镜的特点 单原子操纵和纳米加工单原子操纵和纳米加工nSTM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n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，有的电子为共享，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n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，如电场激励、电流激励、光子激励等能量方式

4、STM单原子操纵原理图单原子操纵物理机制单原子操纵物理机制 当距离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，原子的操纵则取决于针尖和样品表面之间的纯电场或电流效应单原子操纵的三个部分单原子操纵的三个部分单原子的移动（displacement）单原子的提取（extraction）单原子的放置（deposition）n这些技术是今后应用单原子操纵在表面上进行这些技术是今后应用单原子操纵在表面上进行原子尺度的结构甚至器件加工所必须原子尺度的结构甚至器件加工所必须n 单原子的移动单原子的移动世界上最小的广告用STM移动吸附在Ni（110)表面上的Xe原子

5、而排列成“IBM”Fe原子的圆形量子栅栏 用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波 最小的汉字用101个Fe原子写下“原子”二个迄今为止最小的汉字分子算盘 在Cu（111）表面上一个接一个地移动C60分子 中国地图 中国科学院化学所利用纳米加工技术在石墨 表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图 纳米尺度的六边形金字塔纳米尺度的六边形金字塔单原子的提取单原子的提取 Si(111)-77表面上单个Si原子的提取操纵 单个原子提取的可能机理单个原子提取的可能机理(a)在强电场的作用下

6、，键断裂，自由原子通过表面扩散到达一新的位置(b)自由原子与针尖钨原子碰撞，而被散射到一新的位置(c)自由原子先吸附在针尖上，然后再某种条件下离开针尖，重新回到样品表面单原子的提取机理单原子的提取机理单原子的放置单原子的放置 铅笔法：所放置的原子直接来源于STM针尖的材料蘸水笔法：先用针尖从样品上的某处提取一些原子，再将这些吸附在针尖上的原子一个个地放置到所需的特定的位置上钢笔法：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一氧化碳分子人 1991年IBM公司的艾格勒博士等用一氧化碳分子在铂表面上构造了一个大头娃娃的分子人，从头到脚只有5nm高度纳米加

7、工技术纳米加工技术n纳米尺度结构的加工是纳米电子学的基础，也是纳米技术的一个最重要的主要组成部分n纳米细线（nanowire）:在今后的纳米电子学应用中，最重要的纳米结构主要包括纳米尺度的金属或半导体细线（用于器件间的连接）和氧化细线（用于构成器件中电子流动的势垒和器件间的隔离或绝缘）n纳米细线的加工是未来的纳米电子器件加工以及它们的集成所必须得关键技术n在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前广泛应用于实际生产、精度最高的是深紫外光光刻技术。它加工的最小线宽为130nm，其理论极限是100nmn最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小。因此，发展100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模

8、集成电路加工的基础nAFM与STM在纳米技术加工方面都具有很强的应用背景。AFM不受材料种类的限制，在各种材料的加工中得到了更广泛的应用nAFM所具有的原子分辨的能力使它在尺寸小于100nm的结构加工中具有十分明显的优越性 阳极氧化法纳米结构的加工阳极氧化法纳米结构的加工阳极氧化是通过针尖与样品之间发生的化学反应来形成纳米尺度氧化结构的一种加工方法阳极氧化的加工方法使用于SPM显微加工技术（包括STM和AFM）阳极氧化法纳米结构的加工阳极氧化法纳米结构的加工 氧化硅纳米细线阳极氧化加工原理图 用多壁碳纳米管针用多壁碳纳米管针尖在尖在SiSi的氢钝化表面的氢钝化表面上加工上加工 出的出的SiOSiO2 2纳纳米结构米结构 SiOSiO2 2纳米细线构成纳米细线构成的微小的单词的微小的单词“nanotubenanotube”和和“nanopencilenanopencile”氧化硅纳米细线的加工氧化硅纳米细线的加工 10nm线宽在石墨表面刻写的字符 Chinese Academy of Sciencer