利用STM技术的原子纳米尺度操纵

　　纳米技术即在纳米尺度对结构进行表征和操纵的技术,是一个十分重要的仍有待深入开发的领域。1982年G.Binning和H.Rohrer发明的扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope,简称STM)[1],其水平分辨率达0.01nm,垂直分辨率可达0.001nm,使其在纳米尺度探测表面和界面结构成为可能。STM最惊人之处是能测量出试样表面上的原子结构,因此被广泛地应用于物理学、化学、生命科学等领域。在材料科学中,一个最具挑战性的当代目标是实现在纳米尺度上操纵原子,而STM通过探针针尖和试样表面原子相互的作用使某种表面改性可能发生。本文着重介绍了STM在材料表面上进行原子和原子簇的纳米尺度操纵新技术。

　　STM系统

　　图1是第1台S TM的示意图。STM是一种近场成像仪器,它依据量子力学中的隧道效应,基于原子级锐利的探针针尖(作为一电极)和试样表面(作为另一电极)之间的隧穿原理而运作。电子云占据在两极之间,并略微重叠,形成一势垒。当两极加上电压时,通过电子云的隧道电流对表面和探针距离变化极为敏感,当距离改变时,隧道电流变化可达1 000倍左右。由探针运动导致的电流变化经一套反馈装置系统交计算机处理后,在示屏上显示出或由绘图机绘制出表面原子结构的二维、三维图像。

　　原子操纵机制

　　利用STM进行的原子操纵其操纵机制主要分以下4类。

　　1.电场蒸发法

　　电场蒸发本身是一种电场离子显微镜(FIM)技术,此技术应用于STM时要求采用金属探针时试样表面结构应规范,并应有比金属探针键能低的原子存在,反之亦然,目的是为了确保原子易于剥离。对于淀积或移除原子,针尖和试样之间脉冲式偏压将存在一阀值,低于此值,淀积的几率为零。1990年Mamin等人[2]用金探针的针尖作为金原子的源泉,在金试样表面上淀积了直径为10nm、高为2.5nm的金山,并在带台阶的金表面形成金山列。其中淀积的发生经由了离化继之以场蒸发的过程。从针尖到试样可以发生场蒸发,反之,从试样向针尖转移物质也是可能的。证实这种现象的是Lyo I.W.等人[3]在Si(111)表面上操纵Si原子和Si原子簇的工作。他们将针尖安放在离表面约0.3nm处,在针尖上施加3V脉冲,通过场蒸发使Si原子和Si原子簇从表面　　移除,之后转移到针尖上,然后再淀积在表面的另一期望位置。1993年细木等人[4]在室温下同样对MoS2进行了原子操纵实验。操纵时施加的电场强度为18V/nm,S原子被成功地一个一个拔出。

　　2.利用原子间力

　　探针尖端和试样原子间力主要是范德华力、静电力和浮悬力。当探针接近试样时,由于原子间力的作用探针可能吸附或释放试样原子,当然此种吸附为物理吸附。Crommie M.F.等人[4]对吸附Fe原子的Cu(111)通过原子间力的操纵和控制将48个Fe原子在Cu表面形成圆环状排列。