原子力顯微鏡(AFM)課件

1、1986年，Binning等發(fā)明了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ）類似于STM的顯微技術(shù)，它的許多元件與STM是共同的，如用于三維掃描的壓電陶瓷系統(tǒng)以及反饋控制器等與STM主要不同點(diǎn)：用一個(gè)對(duì)微弱力極其敏感的易彎曲的微懸臂針尖代替了STM中的探測(cè)微小隧道電流。正是由于AFM工作時(shí)不需要探測(cè)隧道電流，所以可以用于分辨包括絕緣體在內(nèi)的各種材料表面上的單個(gè)原子原子力顯微鏡（AFM） AFM的工作原理 AFM的工作原理AFM的圖象是通過(guò)在樣品表面上掃描時(shí)測(cè)量微懸臂受力彎曲后偏轉(zhuǎn)的程度得到的。采用不同的微懸臂的檢測(cè)方式就構(gòu)成了不同的AFM工作原理 AFM微懸臂偏轉(zhuǎn)的檢測(cè)方

2、法隧道電流檢測(cè)法光學(xué)干涉測(cè)量法光束偏轉(zhuǎn)測(cè)量法電容測(cè)量法隧道電流檢測(cè)法 通過(guò)測(cè)量微懸臂與STM針尖之間隧道電流的變化來(lái)檢測(cè)微懸臂的偏轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是信噪比低，不適合工作在大氣條件圖10-9 光學(xué)干涉測(cè)量法 利用光學(xué)干涉的方法來(lái)探測(cè)微懸臂共振頻率的位移（或偏振光的相移）及微懸臂偏轉(zhuǎn)的幅度圖10-10 光束偏轉(zhuǎn)測(cè)量法 在微懸臂上的頂部設(shè)置一枚微小的鏡子，通過(guò)檢測(cè)小鏡子上反射光束的偏轉(zhuǎn)就可以得到微懸臂偏轉(zhuǎn)的信息圖10-11 電容測(cè)量法 微懸臂構(gòu)成平行平板電容器的一塊平板之一，而另一塊平板則平行地位于微懸臂的上方。微懸臂的偏轉(zhuǎn)值將通過(guò)測(cè)量該電容器的電容值的變化得到原子力顯微鏡同樣具有原子級(jí)的分

3、辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了STM的不足原子力顯微鏡的特點(diǎn) 單原子操縱和納米加工STM的針尖不僅可以成像，還可以用于操縱表面上的原子或分子最簡(jiǎn)單的方法是將針尖下移，使針尖頂部的原子和表面上的原子的“電子云”重疊，有的電子為共享，會(huì)產(chǎn)生一種與化學(xué)鍵相似的力。在一些場(chǎng)合下，這種力足以操縱表面上的原子為了更有效地操縱表面上的原子，通常在針尖和表面之間加上一定的能量，如電場(chǎng)激勵(lì)、電流激勵(lì)、光子激勵(lì)等能量方式 STM單原子操縱原理圖單原子操縱物理機(jī)制當(dāng)距離0.6nm時(shí)，STM針尖和樣品表面之間的化學(xué)相互作用在單原子操縱過(guò)程中不起主導(dǎo)作用，這樣，原子的操縱則取決于針尖

4、和樣品表面之間的純電場(chǎng)或電流效應(yīng)單原子操縱的三個(gè)部分單原子的移動(dòng)（displacement）單原子的提?。╡xtraction）單原子的放置（deposition）這些技術(shù)是今后應(yīng)用單原子操縱在表面上進(jìn)行原子尺度的結(jié)構(gòu)甚至器件加工所必須 單原子的移動(dòng)世界上最小的廣告用STM移動(dòng)吸附在Ni（110)表面上的Xe原子而排列成“IBM”Fe原子的圓形量子?xùn)艡?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)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 最小的漢字用101個(gè)Fe原子寫(xiě)下“原子”二個(gè)迄今為止最小的漢字分子算盤(pán) 在Cu（111）表面上

5、一個(gè)接一個(gè)地移動(dòng)C60分子 中國(guó)地圖 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所利用納米加工技術(shù)在石墨 表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖 納米尺度的六邊形金字塔單原子的提取 Si(111)-77表面上單個(gè)Si原子的提取操縱 單個(gè)原子提取的可能機(jī)理(a)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，鍵斷裂，自由原子通過(guò)表面擴(kuò)散到達(dá)一新的位置(b)自由原子與針尖鎢原子碰撞，而被散射到一新的位置(c)自由原子先吸附在針尖上，然后再某種條件下離開(kāi)針尖，重新回到樣品表面單原子的提取機(jī)理單原子的放置 鉛筆法：所放置的原子直接來(lái)源于STM針尖的材料蘸水筆法：先用針尖從樣品上的某處提取一些原子，再將這些吸附在針尖上的原子一個(gè)個(gè)地放置到所需的特定的

6、位置上鋼筆法：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鉑表面上構(gòu)造了一個(gè)大頭娃娃的分子人，從頭到腳只有5nm高度納米加工技術(shù)納米尺度結(jié)構(gòu)的加工是納米電子學(xué)的基礎(chǔ)，也是納米技術(shù)的一個(gè)最重要的主要組成部分納米細(xì)線（nanowire）:在今后的納米電子學(xué)應(yīng)用中，最重要的納米結(jié)構(gòu)主要包括納米尺度的金屬或半導(dǎo)體細(xì)線（用于器件間的連接）和氧化細(xì)線（用于構(gòu)成器件中電子流動(dòng)的勢(shì)壘和器件間的隔離或絕緣）納米細(xì)線的加工是未來(lái)的納米電子器件加工以及它們的集成所必須得關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路芯片的光刻

7、生產(chǎn)加工中，目前廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)、精度最高的是深紫外光光刻技術(shù)。它加工的最小線寬為130nm，其理論極限是100nm最小線寬決定了集成電路中晶體管尺寸的大小。因此，發(fā)展100nm以下的刻蝕技術(shù)是未來(lái)更大規(guī)模集成電路加工的基礎(chǔ)AFM與STM在納米技術(shù)加工方面都具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。AFM不受材料種類的限制，在各種材料的加工中得到了更廣泛的應(yīng)用AFM所具有的原子分辨的能力使它在尺寸小于100nm的結(jié)構(gòu)加工中具有十分明顯的優(yōu)越性 陽(yáng)極氧化法納米結(jié)構(gòu)的加工陽(yáng)極氧化是通過(guò)針尖與樣品之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來(lái)形成納米尺度氧化結(jié)構(gòu)的一種加工方法陽(yáng)極氧化的加工方法使用于SPM顯微加工技術(shù)（包括STM和AFM）陽(yáng)極氧化法納米結(jié)構(gòu)的加工 氧化硅納米細(xì)線陽(yáng)極氧化加工原理圖 用多壁碳納米管針尖在Si的氫鈍化