一种高效率的原子操纵方法

　　近年来,扫描隧道显微镜(STM)正成为人们用来进行纳米加工和对原子及分子进行操纵的有力工具。它的主要应用背景是纳米电子学领域。如美国IBM公司的D.Eigler[1]等人在液氮温度下(4K)用STM将吸附于Ni(100)表面上的氙原子排列成“IBM”的图样;美国的Ph.Avouris小组[2]和日本的Aono小组[3]采用电压脉冲,在Si(111)7×7再构表面上实现了对硅原子的操纵。

　　要制备纳米量子器件,首先要能制备规则的纳米结构。我们采用超高真空STM装置,在恒流模式和扫描偏压不变的条件下,通过提高隧道电流的办法,在室温下用STM针尖在Si(111)7×7再构表面实现了原子操纵。这种方法既可进行单原子操纵,又可对原子群体进行操纵。与国外常用的操纵方法相比,我们的方法具有较高的成功率和较快的操纵速率。

　　将n型Si(111)样品在超高真空条件下(压强小于1×10-8Pa)加热到1200℃,然后逐渐将温度降到室温(降温速度小于1℃/s)。STM的扫描条件是:恒流模式,偏压为+1.0—2.0V,隧道电流为0.5—1.0nA。当样品进行单原子操纵时,偏压和工作模式保持不变,将STM针尖定位于所要操纵的原子上方,然后在针尖和样品之间加上30—50nA的电流脉冲,即可从Si(111)7×7再构表面提出单个的硅原子;当进行原子群体操纵时,偏压和工作模式保持不变,将隧道电流提高到30—50nA,这时针尖在反馈回路的作用下向样品逼近,然后以400nm/s的速度沿某一方向进行线扫描一段时间。最后用STM对原子操纵的区域进行扫描成像以检验原子操纵的结果。

　　目前对原子进行操纵主要有两种方式,一种为平行式操纵,使吸附在固体表面的原子(或分子)沿表面迁徙(运动方向平行于表面),如Eigler等人的方法。其作用原则是(1)吸附原子和表面之间的键并不破裂,即始终在吸附势阱之内;(2)有关的能量尺度为阻挡沿表面扩散的势垒。另一为

垂直式操纵,使吸附在固体表面的原子(或分子)从表面迁移到针尖上,或从针尖迁移到表面,如Avouris研究小组,Aono研究小组等采用的方式,其作用原则是:(1)有关的能量尺度为原子从表面脱离势垒的高度;(2)调节针尖与样品之间的距离可以改变此势垒高度以达到使吸附原子脱离表面的目的。

　　在两种原子操纵模式中又以垂直式操纵最为普遍,其主要方法是在STM针尖与样品之间加电压脉冲。在具体实施过程中又有所不同。如Avouris等是在零偏压的条件下将针尖逼近到离表面3 的距离,再加上3V的电压脉冲;而Aono等是在约2V偏压的条件下再叠加上6—10V的电压脉冲。然而,目前电压脉冲法存在的主要问题是其操纵的成功率较低,而且只能进行单原子操纵,要形成一定的原子级纳米结构,其速率太慢。据Aono研究小组统计,在Si(111)7×7表面上对Si原子操纵的成功率一般不到30%。要制备纳米量子器件,必须解决上述问题。