单分子操纵技术

　　1　引　　言

　　1959年美国物理学会年会上,诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman说:“如果我们能够按自己的意愿排列原子,将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答,但我绝不怀疑我们能在如此小 的尺寸上操纵原子[1]”。通过原子、分子操纵,实现在纳米尺度上对材料进行加工,完成单原子、单分子和单电子器件的制作,一直是人们追求的目标。

　　本文分别从电场、力和光方面综述了目前实现原子、分子操纵的原理,重点介绍了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)和光镊子(optical tweezers)及其在微电子学、信息科学、基因工程、生命科学、计算机科学、生物技术、表面技术等领域的应用,提出了分子操纵的研究方向。

　　2　原　　理

　　分子操纵技术是单分子科学研究的范畴,是一门新兴边缘学科。目前实现分子操纵的动力主要有电场、原子间力和光梯度力,并由此诞生了扫描隧道显微镜、原子力显微镜和光镊子。

　　2.1　扫描隧道显微镜

　　1981年,IBM公司苏黎世研究所的物理学家G.Binning和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜,观察到了Si(111)表面清晰的 原子结构,从而使人类第一次进入原子世界,直接观察到了物质表面上的单个原子。为了表彰G.Binning和H.Rohrer的突出贡献,1986年授予 他们诺贝尔物理奖。

　　图1所示为STM的基本原理图。图中圆圈为原子,中间深色部分为原子核,周围浅色部分和分散的黑点为电子云。上面六个原子代表探针针尖,下面十 一个原子代表被测试样面。STM的基本原理是基于量子隧道效应。当针尖和试样面间距离足够小时(<0.4nm),在针尖和试样面间施加一偏置电压, 便会产生隧道效应,电子在针尖和试样面之间流动,形成隧道电流。在相同的偏置电压作用下,随着探针同试样面间的距离减小,隧道电流很快增大(可增大1～2 个数量级),同时针尖原子和试样面原子的电子云部分重叠,使两者之间的相互作用大大增强。由于隧道电流随距离呈指数形式变化,因此,试样面上由于电子排列 形成的“凸凹不平”表面导致隧道电流剧烈的变化。检测变化的隧道电流并经计算机处理,便能得到试样面的原子排列情况。

　　STM的最初发明主要是用在观察方面,随着STM的进一步研究,人们发现STM可进行单原子操纵。由于针尖同试样面之间的距离很小,因此,在偏 置电压作用下,针尖和试样面之间将产生强大电场(109—1010V/m)。试样面上的吸附电子在强电场作用下,经过蒸发被移动或提取,在试样面上留下空 穴,从而实现单原子的移动和操纵。同样,吸附在针尖上的原子也可在强电场作用下,经过蒸发而沉积到试样面上,完成单原子的放置。