利用扫描隧道显微镜制造纳米级结构

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种基于量子隧道效应的新型高分辨力显微镜[1].它对使用环境的要求不很严格,在大部分实验条件下均可以得到具有较高空间分辨力的图象,甚至可达到原子量级的分辨力.随着STM应用的推广,它逐步成为了纳米技术研究的基础工具之一.

　　采用STM还可以对各种样品表面进行纳米量级的超微加工.STM工作时,探针针尖与样品表面之间的距离非常小(一般小于1 nm),典型值为0.6 nm左右.如果在两者之间施加非常小的电压,就可以得到一个极强的电场,并且产生宽度为纳米量级的隧道电流束,即一束具有高度空间限制的电子束.利用这一强电场或具有高度空间限制的电子束,人为地改变场强或电子束强度,诱使针尖或针尖下的样品表面发生一些物理化学变化,就可以达到纳米加工的目的.另外,STM的隧道偏压和隧道电流在加工过程中较为容易控制和利用,这些特点使得STM成为纳米加工的有力工具.

　　采用STM制造纳米结构的方法主要有:电子束诱导沉积法[2]、电子束光刻法[3]、滑移法[4,5]、电压脉冲法[6,7]以及其它一些方法[8].上述这些加工方法一般都是针对某种特定的探针和样品进行加工,加工出的结构不稳定,对相应的加工机理还不能作出解释.本文采用钨探针,分别针对HOPG和金薄膜样品,在实验中利用瞬时增大STM的隧道偏压来形成样品表面上的纳米级特征结构,并对这些结构的形成机理进行了理论分析.

1　实验装置

　　实验中分别以高定向热解石墨(HOPG)和金薄膜作为样品.所采用的石墨(HOPG)的纯度较高,性能稳定,其易解理的层状结构,比较容易得到清洁平坦的实验表面,因此它是一种比较理想的STM实验材料.金薄膜用真空蒸镀的方法获得,得到的金薄膜纯度较高,性能稳定,附着力强,在空气中不易被氧化,可避免表面氧化膜的影响.另外,与石墨相比,金具有较高的机械强度.

　　实验使用的仪器为一台经过改造后的国产STM,此仪器的扫描范围较大而且成象质量较为稳定.本文中的实验均在大气环境中、室温条件下进行.所附图象经过二维中值滤波处理,去除了部分噪声的影响.图象中采用灰度表示样品表面的形貌,较亮的部分表示样品上较高的区域,反之为较低的区域.

实验中采用存在反馈环时瞬时增大隧道偏压的方法.采用这一方法的依据是当在针尖和样品之间施加一个短脉冲时,控制扫描器Z向电压变化的反馈回路对此瞬时的电压突变来不及作出反应.因此,扫描器Z向电压在这一瞬间基本恒定,探针和样品之间无相对运动.如果探针与样品表面产生了接触,只可能是针尖或样品发生了剧烈的机械变形造成的准接触.这一方法的优点是测量和加工同时进行,可以实时观测到加工的效果.根据这一方法,实验中对STM仪器的结构进行了相应的改造.

为了实现对偏压的控制,实验中不使用STM的内置隧道偏压,而采用外部隧道偏压,外部偏压通过电阻分压得到.施加脉冲的过程中应避免分压电阻的影响.在电路设计中,将偏压电路和脉冲发生电路分成两路信号,以保证脉冲的幅值不被衰减,其原理见图1.不施加脉冲时,脉冲发生器电路断开,偏压电路导通,STM可以正常进行扫描;施加脉冲时,脉冲发生器电路导通,偏压电路断开,保证脉冲不流经偏压分压电路.这样,实验过程中加在STM针尖上的电压信号实际上是分立的两部分:正常隧道偏压和加工脉冲电压.两路信号之间的切换采用模拟开关来实现.