大气环境下的STM金针尖场蒸发纳米书写实验研究

　　自九十年代初,人们对扫描隧道显微境(Scanning Tunneling Microscope,STM)的兴趣越来越多地从其成像观察功能转到其纳米加工功能。1990年Mamin成功地用高电场在金表面制作了原子堆,并用场蒸发机理进行了解释[1]。1991年郑天佐进一步把场离子显微镜(Field IonMicroscope,FIM)中的场蒸发理论引进了STM[2],但理论值与实验值相差很远。因此人们对STM中这种高电场下原子堆的形成提出了一些其他模型,如量子点接触,梯度电场中的原子扩散等。作者试验了一系列材料[3],发现原子堆或原子坑的形成与材料及电场极性密切相关,并引入了有效结合能概念对郑天佐的模型进行了修正,得到了与实验值吻合的理论计算值[4],从而从实验与理论两个方面证实了场蒸发模型的正确性。本文重点探索了金针尖在金表面场蒸发的实验规律,并尝试了其在纳米书写加工方面的应用。

　　实验中金针尖经NaOH腐蚀制得。金基底采用烧熔冷却后的金球表面。STM全部采用计算机控制,是原国产SSX-IA型STM经自行改造而成。需作纳米标记的点的位置可用鼠标方便地选取。电压脉冲由计算机触发。经放大后加到样品表面,针尖接地。电压脉冲宽度在30ns～30ms范围内可调,幅度在±12V内可调。在施加电压脉冲时,STM反馈回路仍保持原工作状态。整个实验是在室温大气环境下完成的。

　　图1是用+4V,500ns的电压脉冲在原子平台上书写的“华师”的汉语拼音的前两个字母“HS”。字母由约30个圆形原子堆组成,每个原子堆直径约10～20nm,高度1～2nm。这些原子堆的开头形状和相对位置在其扫描图像漂移出画面前基本不变。

　　实验发现这些原子堆的形成存在一个很陡的阈值电压,当电压低于这个阈值时表面看不到原子堆的形成,或其他明显改变。图2是在样品偏压Vb=0.1V,隧道电流I=0.1nA时,不同电压幅度下原子堆的形成几率,进一步改变隧道电流I,发现阈值电压随lnI增加而比例减小。而lnI与针尖样品间距成反比,所以真正起作用的是一个阈值电场。在我们实验条件下,估计阈值电场在0.25～0.45V/ 之间。阈值电场的存在正是场蒸发的一个典型特征,因此,我们初步认为上述大电压下Au表面原子堆是由金针尖场蒸发形成的。

　　致谢　本工作的开展得到刘立民、马宁、叶德连等老师的大力协助,在此表示衷心感谢。

　　参　考　文　献

　　[1]Mamin H J,Guethner P H and Rugar D. Phys.Rev.Lett.,1990,65∶2418.

　　[2]Tsong Tien T. Phys.Rev.,1991,B44∶13703.

　　[3]李志扬,刘武,刘立民,叶苏孙,李兴教.STM中电场极性对Au,Ni,Cu,Pt,Ir,W场蒸发行为的影响.见:第六届全国场致发射及真空微电子学术讨论会论文集.武汉,1996年8月.