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第 六 章 单原子操纵与纳米加工 章海军 张冬仙 （20 12. 02. 27 ）

第 六 章 单原子操纵与纳米加工 章海军 张冬仙 （20 12. 02. 27 ）. 本章提纲. 6.1 单原子操纵概述 6.2 单原子操纵的模式与机理 6.3 低温 STM 系统 6.4 多重针尖与单原子针尖 6.5 单原子操纵的实例 6.6 基于 STM 的纳米加工技术. Si-111(7×7) 表面原子的 STM 图像. 原子操纵 & & 加工工具. 观察测试 & & 研究工具. STM. 6.1 单原子操纵概述. Nickel Xenon (’zenon).

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第 六 章 单原子操纵与纳米加工 章海军 张冬仙 （20 12. 02. 27 ）

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Presentation Transcript

  1. 第 六 章 单原子操纵与纳米加工 章海军 张冬仙 （2012. 02. 27）

  2. 本章提纲 • 6.1单原子操纵概述 • 6.2 单原子操纵的模式与机理 • 6.3 低温STM系统 • 6.4多重针尖与单原子针尖 • 6.5单原子操纵的实例 • 6.6基于STM的纳米加工技术

  3. Si-111(7×7) 表面原子的STM图像

  4. 原子操纵 & & 加工工具 观察测试 & & 研究工具 STM

  5. 6.1 单原子操纵概述 Nickel Xenon (’zenon) 最早的单原子操纵(Single atom manipulation)由Eigler在1990年完成。他利用STM在超高真空和超低温（4.2K）条件下移动了吸附在Ni(110)表面上的Xe原子，用35个Xe 原子排列成“IBM”字样。

  6. D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscopy Nature 344, 524-526 (1990). 6-1

  7. M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science 262, 218-220 (1993).

  8. Here is how the images come to life

  9. 1. D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscopy, Nature 344, 524-526 (1990). 2. M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science 262, 218-220 (1993). 3. M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Imaging standing waves in a two-dimensional electron gas. Nature 363, 524-527 (1993). 4. M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler, E.J. Heller. Waves on a metal surface and quantum corrals. Surface Review and Letters 2(1), 127-137 (1995).

  10. 图 6.3 Cu表面上用101个Fe原子写出的汉字（IBM）

  11. 图 6.4 Cu表面上C60分子构成的原子算盘 10/72

  12. 问题与局限性  原子始终没有离开基底表面  针尖只是推着原子在基底上移动  非真正意义上的原子操纵

  13. 平移 推移 图 6.5 针尖“推移”原子示意图

  14. Moving Things Around

  15. 什么是真正意义的 单原子操纵?

  16. 6.2 单原子操纵的模式和机理 表面观察测试： 提取信息（电流、力、磁、静电等） 原子操纵与纳米加工： 施加作用（电流、电场、力、热、磁等）

  17. 真正意义上的单原子操纵 三个步骤：提取或俘获（extraction） 位移或移动（displacement） 放置或重入（deposition） b) 移动 c) 重入 a) 提取 图 2.26 单原子操纵的步骤

  18. 单原子提取的几种可能的机理

  19. a) 提取 b) 移动 c) 重入

  20. 图 6.6 真正意义的原子操纵结果实例（1994年）

  21. 20/72

  22. 单原子操纵的方法分类： a)场蒸发法（field evaporation） —— 样品负偏置 b)电子激发法（electron emmission） —— 样品正偏置

  23. 单原子操纵方法的分类 Tip Tip Bias Bias Sample Sample (a) 场蒸发法 (b) 电子蒸发法

  24. 单原子操纵的物理机制示意图 Schematic figures showing the physical mechanism of the extraction of atoms from the sample surface using an STM tip

  25. 静电感应、静电极化 ?

  26.  单原子操纵可能的物理化学机理： a)间距较大时（0.6 nm），取决于纯电场 与纯电流效应的作用。 b)针尖—样品间距较小时（ 0.4 nm）， STM针尖与样品表面之间的化学相互作 用起主导 作用，隧道电流很大、电子云 叠合。

  27. 目前较普遍的单原子操纵方法是，在STM的针尖和样品表面施加一个适当幅值（几伏）和脉宽（数十毫秒）的电压脉冲。由于间距非常近（0.3～1.0 nm），将在针尖和样品之间产生一个强度为109～1010V/m的强大电场，吸附在样品表面上的原子将会在强电场的蒸发下被提取和移动；同样，吸附在针尖表面上的原子也可能在强电场的蒸发下而沉积到样品表面上，实现单原子的放置操纵。

  28. 移动单个原子所需的力 《钱江晚报》2008年2月25日A14版

  29. 图 6.10 Si(111)-77表面上单个Si原子的提取与操纵 A Si atom was extracted from the Si(111) 7×7 surface using a W tip. The extraction was made by applying a voltage of -4V to the sample for 10 ms at a tunneling current of 0.6 nA.

  30. 6.3 用于单原子操纵的低温STM系统 图 6.12 A picture of LT-STM 30/72

  31. 为什么要低温？

  32. 原子、电子 电子的自旋运动不能被冻结，因此， 所有物质的温度 > 绝对零度 绝对零度？

  33. 35/72

  34. 几种液态物质的温度 液氦 －268.8 C 4.2 K 液氢 －253 C 20 K 液氮 －196 C 77 K 液氧 －183 C 90 K 干冰 －78.5 C 194.5 K 40/72

  35. 激光冷却 俘获原子 Room temperature Liquid He Dilution refrigerators Doppler cooling Pol grad cooling

  36. 朱棣文 （Steven Chu）

  37. 朱棣文：1997年诺贝尔物理学奖

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