一种实现纳米超微定位和超微加工的新方法

扫描隧道显微镜(STM)的出现[1],不仅使人们能够得到原子量级的微几何形貌,还可以与其他技术相结合,操纵控制分子和原子,以至于加工出纳米级尺度的微型机构.应用STM的超微加工方法与目前存在的各种微加工方法相比有如下特点:

　　1)STM具有原子级的空间分辨率,可以制造出纳米级的微小结构;

　　2)加工与测量可以同时进行;

　　3)可以用来设计量子器件,开发新型仪器和设备.

　　4)可以对传统加工方法无法控制的原子和分子加以操纵,或组合在一起来制造新型的器件、设备;

　　实现纳米、亚纳米水平上超微加工,首先要使超微定位达到同等精度,而一般的STM被重点用于描绘被测量的表面,并不是专为精密计量或超微定位、加工而设计的,其本身存在许多误差因素.如扫描器PZT的误差、探针(或样品)的热漂移等[2].因此应用STM进行超微定位和超微加工还存在许多问题,如:以纳米、亚纳米精度准确定位到指定目标;控制加工出亚纳米、纳米尺度的微型结构;准确重复加工过程.

　　本文设计了一种使用双单元扫描隧道显微镜[3],采用原子阵列伺服寻踪和针尖锁定到原子的技术,并以高定向石墨(HOPG)规则的晶格作定位刻度基准,实现纳米级超微定位和超微加工的新方法.

1　双单元扫描隧道显微镜

双单元扫描隧道显微镜由两个Z向同轴的STM单元上下组合而成,分别作为样品测量加工单元与参考定位单元,两者共用一个XY扫描器.被测或待加工样品与HOPG参考样品分别被置于XY扫描台(由XY扫描器驱动)的上下两侧,而且它有两个Z向扫描器(Pz1,Pz2)和两个扫描探针(tip1,tip2),如图1所示.

　  tip2与HOPG组成的参考定位单元用于定位XY扫描台;tip1与被测或待加工样品组成的样品测量加工单元用于测量或加工样品.当两个隧道单元分别在Pz1和Pz2的驱动下进入隧道控制状态后,两个单元的图像可同时由单一XY扫描器扫描获得,两者XY尺度相同,而且因扫描器压电陶瓷的非线性、迟滞、蠕变等带来的误差对两个单元具有同等的影响.如果HOPG规则晶格空间尺度稳定不变,则可以通过计算HOPG晶格数来测定被测样品图像的尺度.在这里,原子晶格等同于亚纳米精度的原子尺.利用上述方法可达纳米量级的测量精度[4],但上述方法显然无法进行实时定位和加工.为此,以原子阵列伺服寻踪、锁定的方法,移动XY扫描台并将针尖tip2锁定到参考样品HOPG的单个原子上,定位分辨力可达亚原子尺度,精度可达亚纳米,由于两个单元的XY尺度相同,因而样品测量加工单元也具有同等的定位分辨力和精度.tip1用于检测或加工样品,采用的是目前使用最多的电压脉冲法进行纳米级超微加工.