（机械制造及其自动化专业论文）基于两态稳定性的超高密度数据存储.pdf

摘要 信息科学的迅猛发展和计算机应用领域的不断扩大使得超高密度数据存储蔓 式的研究成为一新的、快速发展的、重要的研究领域。 本文通过分析体心立方晶体单晶格的总势能随体心原子位置的变化关系，篡 现体心立方晶体具有两态稳定性，其两态稳定性分别为体心原子位于晶体表面层 上方的平衡位置( “1 ”) 和体心原子位于晶体体心处( “o ”) 。基于此，本文提出了 利用体心立方晶体两态稳定性存储数据的超高密度数据存储方式。 借助于微观世界研究的有力工具一分子动力学模拟方法，以f e 为对象，研究 了体心立方晶体的单个体心原子双稳态及多个体心原子双稳态组合的稳定性，通 过分析得出了体心立方晶体在多原子双稳态组合下仍稳定的结论。 运用分子动力学模拟方法详细分析了单原予针尖的原子力显微镜( a f m ) 提 取和压入体心原子的主要过程，得出了单原子针尖的原子力显微镜可压入但不能 提出体心原子的结论。建立了体心原子的等效运动方程，分析了体心原子的位置 随外界冲击、振动或位置偏离下的变化规律。运用能量关系详细分析了体心立方 晶体的体心原子分别位于平衡位置“1 ”和平衡位置“0 ”时，在各个方向保持稳 定的总能量限制。 关键词：体心立方晶体原子力显徽镜超高密度数据存储分子动力学模拟 a b s t r a c t t h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n s c i e n c ea n dt h ec o n t i n u o u s c o m p u t e r - a p p l i e d f i e l dh a v em a d et h e u l t r a h i g h d e n s i t y d a t a m e m o r y i m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d e x t e n s i o no f b ean e w l y b yi n v e s t i g a t i n gt h ev a r i a t i o no ft h ep o t e n t i a le n e r g yo fs i n g i ec r y s t a ll a t t i c eo f b o d y c e n t e r e dc u b i c ( b e c ) c r y s t a lt o t h e p o s i t i o no fi t sb o d y c e n t e r e da t o m 。ak e y p h y s i c a lp h e n o m e n o ni sd i s c o v e r e dt h a tb c cc r y s t a lh o l d sb i s t e a d ys t a t e s b a s e do n t h ef a c t ，an o v e l u l t r a h i g h 。d e n s i t yd a t am e m o r yp r i n c i p l ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b y v i r t u eo fm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n sm e t h o d 。t h ec r u c i a jr e s e a r c hm e t l l o di n m i c r o f i e l d ，t h es t a b i l i t yo fp o l y a t o m i cc o m b i n a t i o no fb c c c r y s t a li ss t u d i e d w i t ha c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tb c c c r y s t a lk e e ps t a b l en om a t t e rh o wm a n yb o d y c e n t e r e d a t o m sa l ec o m b i n e d ad e t a i l e da n a l y s i so f u s i n g a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) t o p u l l i n g o u to r p u s h i n g d o w nt h eb o d y c e n t e r e da t o mi sp r e s e n t e d i ti sf o u n dt h a ta f m ，w i t hs o l ea t o mo ni t s v e r t e x ，i ss u c c e s s f u li np u s h i n gd o w nb u ti sf a i l i n gi np u l l i n go u tt h eb o d y c e n t e r e d a t o m a ne q u i v a l e n td y n a m i c se q u a t i o no f b o d y c e n t e r e da t o m i sg i v e n ，w i t hw h i c ht h e v a r i a t i o no ft h ep o s i t i o no f b o d y - c e n t e r e da t o mt ot h ea p p l i e ds t r i k e ，v i b r a t i n ga n dt h e d e p a r t u r eo ft h ea c t u a lp o s i t i o no fb o d y c e n t e r e da t o mf r o mi t ss t a b l ep o s i t i o ni sg e t w i t he n e r g yt h e o r e m ，am a x i m u mt o t a l e n e r g yl i m i ti ne v e r yd i r e c t i o ni so f f e r e dt o m a i n t a i nt h eb o d y - c e n t e r e da t o ms t a b l e m o l e c u l a r d y n a m i c ss i m u l a t i o n s u l t r a h i g h - d e n s i t y d a t am e m o r y 声明 创新性声明 y 6 9 5 5 5 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名醺玩讴日期避，厶 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。 本人签名 导师签名 丝童丝 亟璺逸 日期塑：丛 日期2 监! ：型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究超高密度数据存储方式的意义 近年来，随着信息科学的迅猛发展和计算机应用领域的不断扩大，几乎所有 的数据处理工作都需要借助计算机来完成或提高工作效率，并最终借助计算机来 存储。对于普通的数据处理工作，如计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、计 算机集成制造( c a p p ) 、计算机控制、计算机通信、模式识别、数据挖掘等， p c 机或小型工作站的数据处理能力就完全可以满足。但是，在某些要求计算机实 时处理并快速存储海量数据的应用领域，如天气预测、行星运行轨道计算等，人 们需要更快的数据处理、数据读写速度和更大的存储空间。但是，如果只增加存 储空间而不提高存储密度将会增加数据存储器的体积，导致整个计算机系统很庞 大。而且，随着人们对计算机微小型化的不断追求，数据存储器的存储密度越来 越重要。 目前所广泛应用的磁存储和光存储介质正在接近其物理极限。所以人们必须 探索新的存储理论、技术和材料，以期突破数据存储的极限，实现超高密度数据 存储。为适应信息科技的这一发展要求，美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 提 出超电子学( u l t r ae l e c t r o n i c s ) 研究计划u j ，该计划旨在研制出一种新型的存储系 统，该存储系统要求比现有电子系统速度快1 0 1 0 0 倍，存储密度高5 1 0 0 倍，功 耗小于现有系统的1 5 0 ，并且达到“双十二”要求，即存储量为1 0 1 2 位，运算速度 为1 0 1 2 次秒。超高密度数据存储方式的研究就是在这种背景下产生的。 所谓超高密度数据存储【2 l 是指信息存储密度 1 0 1 2 b i t e r a 2 ( 对应信息点的直 径在1 0 n m 以下) ，与目前市售一般存储密度1 0 6b i t e r a 2 的器件相比，信息存储 能力惊人。美国前总统a i n t o n 在关于纳米科技的报告中，以“美国国会图书馆的 所有信息都可存储在一块方糖大小的芯片中”，对超高密度数据存储作了形象的 描述。 超高密度数据存储方式可以显著减小数据存储器的体积和重量。在存储容量 要求不变的条件下，超高密度数据存储方式可使存储器的体积和重量减小到原来 的几万分之一，这可以显著减小计算机系统所占的体积，有利于系统的微小型化 和高度集成化。 将超高密度数据存储技术和微电子机械系统( m e m s ) 技术相结合，可使信号 的采集、过滤、转换、处理、存储、放大与微机械传感和驱动系统高度集成，实 现智能微系统，如微型机器人、微型电动车、微型传感器等【4 捌，这样可以显著减 少功耗、节约能源、降低存储器的散热要求。 2基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 目前，超高密度数据存储正处于快速发展时期，新的存储理论、思想和方法 不断涌现，许多发达国家对其投入了大量的资金和人力资源，而且中国在这一新 的高技术领域已取得一系列的研究成果【6 】。可以预见超高密度数据存储器具有广 阔的应用前景、巨大的经济效益和重大的科研价值。 1 2 超高密度数据存储方式的国内外研究发展状况 信息技术的发展要求存储器件必须具备超高存储密度、超快的存取速率及尽 可能长的存储寿命三大特点。实现信息存储的关键是要具有“0 ”、“1 ”两种可以 区分的稳定状态，即在外场( 光、电、磁等) 的作用下，能够从一种状态转换为 另一种状态，并且这两种状态能够对应不同的光、电、磁等特性或其它方面的响 应。目前，除利用光、电、磁存储外，利用扫描探针显微镜技术实现信息存储也 成为一重要的研究领域。研究表明，无论是无机、有机还是无机有机复合介质，均 可实现数据存储功能。从写入机理来讲，主要包括两种情况：一是写入前后不改 变记录点处介质表面的形貌，而是根据记录点处电学、光学或磁学等特性的变化， 来实现数据的写入和读出。另一种方式与此相反，是通过改变记录点处存储介质 的表面形貌来实现数据存储的。 1 2 1 超高密度光信息存储 光存储主要是基于光子与材料表面发生光热、光折变、光致变色、光诱导化 学反应等各种光致物理化学效应，使得材料在存储前后的物理特性发生改变，从 而达到信息存储的目的。 ( 1 ) 光束吸收存储 d a p a r t h e n o p o u l o s 等人 7 1 于1 9 8 9 年提出了双光束吸收存储理论。其信息的读 写和擦除是通过双光子激发技术改变存储材料的物理化学性质，使得受激发态和 非受激发态的光学性质不同，分别代表“0 ”、“1 ”两种状态，从而实现信息的存 储，其存储密度约为1 0 1 0 b i t c i n 2 。但是该存储方式工作温度低、存储寿命短、反复 读写的抗疲劳性差。 ( 2 ) 光全息存储技术1 8 1 光全息存储技术利用携带信息源的光和参考光相干叠加所形成的干涉图，使 整组数据一次记录到某处，达蛰j 1 t b i t c m 2 的高密度存储。该存储技术保真度高， 可并行输入输出，传输速度达至f 1 2 5 m b i t s 。但是光全息存储结构复杂、价格昂贵， 在一定程度上限制了它的应用。 ( 3 ) 近场光学存储 以上两种技术受到光衍射效应的限制，存储点信息半径难以达i l ! l j l 0 0 n m 以下。 但是当光通过一个尺度远小于其波长的小孔，同时控制它与样品间距在近场 第一章绪论3 ( ) 时，成像的分辨率可以突破衍射极限的限制。利用该原理研制的近场光 学扫描显微镜( s n o m ) 已成为信息存储的一个重要研究领域。早在1 9 9 2 年，b e t z i g 等【9 l 就在多层c o p t 薄膜上实现了可重复读写的、尺寸在6 0 n m 左右的信息点，存储 密度达4 5 g b i t i n 2 。1 9 9 7 年，m a r t i n 1 o ，1 1 1 利用扫描干涉无光阑显微镜( s c a n n i n g i n t e r f e r o m e t r i ca p e r t u r e l e s sm i c r o s c o p e ，s i a m ) 得到了尺寸为5 0 n m 的信息点，相应的 存储密度为2 5 6 g b i 优n 2 。 1 2 ，2 超高密度磁信息存储 从1 9 9 1 年起，磁存储密度每年以6 0 1 0 0 的速度递增。2 0 0 0 年4 月，r e a d r i t e 公司开发出一种存储密度达5 0 g b i t i n 2 的新型磁性材料。与此同时，f u j i t s u 公司实 现了5 6 g b i t i n 2 的磁存储。2 0 0 0 年1 0 月，r e a d r i t e 公司又将磁存储密度提高到 6 3 g b i t i n 2 。由此可见，1 0 0 g b i t i n 2 的磁存储密度将在不久的将来实现。 ( 1 ) 颗粒介质( a d v a n c e dg r a n u l a rm e d i a l 要获得超高密度磁存储，满足一定的信噪比和热稳定要求，需选择尺寸小、 矫顽磁力大、各项异性的磁性颗粒。例如：h e p c o c r p t ：s i 0 2 1 1 2 1 ，h e p c o c r p t ：c 【1 3 】 等颗粒薄膜介质。 。 ( 2 ) 垂直纪录介质( p e r p e n d i c u l a rr e c o r d i n gm e d i a ，p r m ) 1 9 7 7 年，日本人1 w a s a 姑t 1 4 1 首先提出了垂直磁纪录技术，它的特点是磁化方向 垂直于表面，而不是像传统的纵向介质那样平行于表面。该技术彻底消除了磁记 录方式随记录波长的缩短和膜厚的减薄而产生的退磁场增大效应，使得信息存储 具有更高的线性密度和热稳定性。 ( 3 ) 图形化介质( p a t t e r n e dm e d i a ，p m ) 1 1 5 , 1 6 图形化介质由多个独立的图案化磁元件排列而成，每个元件可以存储l b i t ，磁 化的方向代表二进制的“0 ”、“1 ”状态。一般是将磁性的颗粒排列在非磁性材料 表面上，形成周期性排列的量子棒矩阵，存储密度可以达到1 0 a g b i t i n 2 。 ( 4 ) 反铁磁性耦合介质( a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm e d i a ，a f o 【1 7 ，1 8 】 a f c 介质至少有两层复杂的磁性台金，其间插入一层0 6 o 8 n m 的反磁性r u 层，r u 层薄膜的作用是在两铁磁性的层间提供一反铁磁性耦合层，以提高存储介 质的信噪比和热稳定性，从而可以进一步减小磁粒的尺寸，提高信息存储密度。 1 2 3 基于s p m 技术的超高密度信息存储 扫描探针显微技术s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ) 在纳米尺度的表面加工方 面表现出巨大的优势，因而被广泛应用于纳米信息存储的研究中。扫描探针显微 技术是以扫描隧道电子显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m1 等新型系列扫描探针 显微镜为主要实验手段，利用探针和样品的不同相互作用，在纳米级乃至原子级 的水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理化学性 质。 4 基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 近十几年来，国内外很多学者基于s p m 技术，选取不同的材质和结构，发展起 来应用各种机理的纳米级信息存储装置。在基于s p m 技术的超高密度信息存储方 面，i b m 的研究人员作了大量的研究工作，取得了一些突破性的进展。苏黎士研究所 的研究人员通过改进后的a f m ，利用热力效应实现了数据的存储。其工作原理是通 过个可进行加热的a f m 悬臂粱在p m m a 聚合物有机薄膜上进行扫描，使该悬臂 梁通过位于其末端的锥形针尖与聚合物相互作用，形成了一个直径与膜厚尺寸相 当的刻痕，在1 5n l n 厚的薄膜上可形成2 0 n m 大小的数据点。读取数据时，同样采用加 热的悬臂梁针尖在薄膜表面进行扫描，当针尖扫描到一个刻痕时，由于二者之间的 空气间隙发生变化会使热针尖的热阻抗产生一个微小的变化，通过检测反馈的阻 抗信号，对数据点进行读取。同时也可以对数据点进行擦除和重写，方法是整体加 热介质薄膜到其软化温度以上，在存储区域会发生回流现象，重新填平原来的刻痕， 所形成薄膜的平滑度可以再次进行数据写入但必须明确的是该种擦除方法只能大 面积的擦写，还不能针对某一点进行擦写1 1 9 1 。此外诸如h i t a c h i 、n t e l 、m a 2 9 i x 等 一些著名的大公司也相继在相关领域展开了研究。我国在该方面的研究也取得了 一些成果，如北京大学雷晓钧等人【2 0 】提出利用s t m 隧道电流焦耳热效应诱导材料 发生气化分解的热化学烧孔模式的s t m 存储新技术，并在电荷转移复合物 t e a ( t c n q ) 2 上成功地得到大面积信息孔阵列，孔洞最小直径为8 n m ，写入可靠性高 达9 9 以上。 1 9 9 5 年，h i t a c h i 公司的s h o s a k a 等人i ”1 在厚度为3 0 i 】m 的g e 2 s b 2 t e 5 1 仁晶态薄膜 上，使用近场光学显微镜s n o m ，使薄膜的局部区域发生从非晶态到晶态的相变，写 入了6 0 n m 的信息点。同年n e c 公司的a s a t o 等人利用s t m 的针尖在无机玻璃材 料n a 2 0 - v 2 0 5 p 2 0 5 上写下了1 0 n m 的信息点，并可反复擦写1 0 次左右，经过观察未 发现形貌改变，信息点写入是由于局部区域导态发生了改变。1 9 9 6 年c 姐n o n 研究所 的k y a n o 等人【矧借助a f m 在聚合物l b 膜上也实现了1 0 r i m 的信息存储。1 9 9 7 年 h k a d o 等人1 2 4 1 采用应用于光盘中的相变薄膜g e s b 2 t e 4 ，通过在a f m 针尖和薄膜之 间施加一脉冲电压，来改变薄膜介质局部区域的电学特性，由高阻态转换为低阻态， 通过a f m 针尖来检测这种变化，在很高的信噪比下对记录进行读取，该记录点最小 为1 0 衄，该记录点并可通过旌加一负相脉冲电压进行擦除。最近y a s u oc b o 2 5 】等 人应用s n d m 技术( s c a n n i n gn o n l i n e a rd i e l e c t r i cm i c r o s c o p y ) 在铁电薄膜实现了纳米 级信息点的写入，并可以进行擦除和重写，在厚度为1 0 0 2 0 0n m 的铁电薄膜上施 力h 1 2 v 2 5 0 0 n s 的脉冲电压，在s l d ( s t o i 曲i o me t r i c ) _ k 得到了平均直径为1 2 r i m 的信 息点，并在c l t ( c o n g r u e nt l i t h i u mt a n t a l a t e ) 上写入了1 0 0 n m 大小的字符。 我国的研究人员也基于s p m 技术展开了纳米级信息存储薄膜的研究工作。如 中科院北京真空物理实验室在1 9 9 6 年制备了有机电荷转移复合材料i n 。n b m n p d a ， 使用s t m 施加电压脉冲实现了1 3 n m 的存储点( 如图卜1 所示) ，并可实现热擦除； 第一章绪论5 1 9 9 8 年在有机单体薄膜p u n 上应用s t m 使存储点缩小的0 8 r i m ，在有机电荷转移单 体材料n b p d a 上形成了0 7 r i m 的存储点；2 0 0 0 年采用有机单体材料p n b n ，得到了 0 6 r i m 的记录点：同年在有机复合材料n b m n p d a _ l z 也实现了1 3 r i m 的存储点，并可 反复擦写l 肄2 刚。北京大学杨文军等人【2 9 铡用有机电荷转移复合物和共轭s c h i f f 碱作 为存储介质，通过s t m 脉冲电压也实现t 1 0 1 2 b i t s c m 2 的超高密度信息存储。北京大 学李建昌等人【3 0 】采用t i t m n b p 有机复合单晶薄膜，通过s t m 针尖施加脉冲电压 实现了纳米级的信息存储，最小记录点直径约为1 2 m 。2 0 0 1 年，时东霞等【3 1 l 在 p - n i t r o b e n z o n i t r i l e 纳米有机薄膜上获得了0 6 n m 以下的信息点，如图1 2 、1 3 所示。 图1 4 给出了写入信息记录点图案“a ”过程的s t m 图像。 图卜l 在纳米有机n b m n p d a 薄膜图卜2p n b n 单体有机薄膜图l - 3 在p n b n 有机薄膜上 上的信息存储的典型s t m 图像信息记录点的s t m 图像 图1 4 信息点的获得和擦除 ( 在n b m n p d a 薄膜上写入一个信息记录点图案“a ”，电压脉冲是3 1 5 v ，1 2 s ：通过在s t m 针 尖和薄膜表面施加反向电压脉冲- 4 1 5 v ，5 0 9 s 进行信息点的擦除) 基于s p m 进行的超高密度信息存储取得了可喜的研究成果，获得了纳米级的 存储点，大大提高了存储密度，而且近年来研究人员开始着眼于早日实现s p m 存 储产业化的研究，如m m 的研究人员为了提高存储速度，开发出一种多针尖的 a f m ，命名为m i l l i p e d e ，这是为解决信息存储而提供的一种新颖的纳米机械方法。 m i l l i p e d e 拥有从单块硅片雕出的1 0 0 0 多个微小伸臂，每个“臂”都能在构成存储介 质的聚合物薄膜上刻出细小刻痕，在读写的过程中，介质膜移动，而m i l l i p e d e 不动， 一次可完成上千个数据点的读写，大大地提高了读写速度。据介绍，此项存储技术 即将在几年后投入实际应用，这也是借助s p m 技术进行信息存储最有可能实现商 业化的一个产品【1 9 , 3 2 。s a m s u n g 公司也开展了基于m e m s 技术制作的多探针系统 的s p m 存储器研究工作。多针尖s p m 存储系统的开发会大大提高读写速度，应该是 未来s p m 信息存储的发展方向。 基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 1 3 本文的主要工作 本文在目前国内外超高密度数据存储发展的基础上，应用分子动力学模拟方 法证实了体心立方晶体两态稳定的特性，并基于此提出了一种全新的原子级的数 据存储方案，信息存储点达n 0 3 r i m ，相应的存储密度在理论上可达n 1 0 1 5 b i t c m 2 ， 并对该存储方式的存储性能进行了详细的分析。最后，运用分子动力学模拟方法 研究了原子力显微镜( a f m ) 提取和放置体心立方晶体饵c c ) 体心原子的主要过程， 探索了b c c 晶体体心原子双向操纵的可行性，为原子级数据存储的进一步研究提 供理论基础。 本文的主要工作概括如下： 1 分析计算了b c c 晶体体心原子在由体心被操纵到无穷远处的这一过程中， 整个晶格的能量变化规律和体心原子所受晶格作用力的变化情况； 2 基于上述工作，提出了b c c 晶体具有两态稳定性的特征，建立了b c c 晶体 表面结构的微观模型，应用分子动力学方法模拟了b c c 晶体的体心原子分 别位于体心和表面层上方时，晶体结构的稳定性： 3 建立了原子力显微镜( a 】f m ) 操纵b c c 晶体体心原子的微观模型，应用分子 动力学方法模拟了a f m 操纵b c c 晶体体心原子的主要过程； 4 全面分析了b c c 晶体体心原子分别位于两个平衡位置时的稳定性能： 5 应用m a t l a b 语言编写了分子动力学模拟的可视化界面程序，测试的模拟结 果与已有研究成果符合较好。 第二章扫描探针显微镜的基本工作原理 第二章扫描探针显微镜工作的基本原理 早在1 9 5 9 年，美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r df e y n m a n 曾预言 【33 j ：“如果用原子书写的话，那么世界上所有的文字都可以容纳在一块边长为百 分之- n 百分之二英寸的立方体材料中”。1 9 8 1 年，i b m 公司苏黎世研究所的物 理学家g b i n n i n g 和h r o h r e rp 4 】发明了扫描隧道显微镜( s t m ) ，观察到了s i ( 1 1 1 ) 表面清晰的原子结构，使人类第一次进入了原子世界。后来科学家们又相继发明 了原子力显微镜( a f m ) 、力调制显微镜( f m m ) 、相位检测显微镜、静电力显微镜 等，统称为扫描探针显微镜( s p m ) 【矧。 s p m 的发明不仅使人们可以清晰地观察并且能够操纵物质表面上的单个原 子，为实现原子级的数据存储提供了必需的技术基础。所以本章先将扫描探针显 微镜的工作原理和应用作一介绍，为后面的研究工作提供一些必备的背景知识。 2 1 扫描探针显微镜系列概述 1 9 8 1 年，i b m 公司苏黎世研究所的物理学家g b i n n i n g 和h r o h r e r 发明了扫描隧 道显微镜( s t m ) 【3 4 j ，观察到y s i ( 1 1 1 ) 表面清晰的原子结构，使人类第一次进入原 子世界，1 9 8 6 年他们为此获得诺贝尔物理奖。1 9 8 5 年，g b i n m g 在s t m 的理论基 础上，又发明了原予力显微镜( a f m ) ，将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体。 i v a na m a t o 将a f m 比作为“纳米世界的选拍照相机”【姻。在s 脚和a f m 的理论基 础上，科学家们又相继发明了力调制显微镜( f m m ) 、相位检测显微镜( p d m ) 、静 电力显微镜( e f m ) 、电容扫描显微镜( s c m ) 、热扫描显微镜( s t h m ) t n 近场光隧道扫 描显微镜( n s o m ) 等一系列显微镜。由于以上显微镜均是基于探针在被测试样表面 上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备，因此，国际上称毗 上系列显微镜为扫描探针显微镜( s p m ) 。 图2 - 1 所示为s p m 原理简副”，图中深色部分为被测试样面。当探针在水平方 向进行扫描时，由于被测表面因原子排列而形成的“凸凹不平”，导致针尖在垂 直方向有变化的z 由z 的变化引起在接触区域的力、电流、电容、热、光的 变化，检测这些变化量导致各种系列的s p m 的产生。探针的水平扫描可达1 0 0 “m ， 垂直扫描可达4um 。探针多由s i 、w 或n i 材料制成。 目前，s p m 已不仅仅限于观察原子排列了，而已深深渗入微电子技术、生物技 术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种尖 端科学领域。尤其是用s p m 来操纵单原子、单分子的技术，将使人类从目前的微 米尺度上对材料的加工迅速跨入到纳米尺度、原子尺度上的加工，完成单分子、 基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 图2 1s p m i 作原理简图图 图2 - 2f m m 工作原理简图 单原子、单电子器件的制作，从而导致相关学科高速发展。在信息科学上，s p m 使 信息存储密度大幅度提高；在生命科学中，s p m 完成物种再造；在材料科学中， s p m 创造新原子结构材料，并可实现纳米机械加工设备。可以说s p m 对推动人类 科学技术和产业革命有无法估量的动力。我国科学技术部等五部委颁发的国家 纳米科技发展纲要( 2 0 0 1 2 2 0 1 0 ) 中，将s p m 列为急需突破的关键技术。中科院化 学所和物理所在s p m 领域作了大量工作，某些方面已处于国际领先水平。自春礼 院士将s p m i ：l 作为纳米世界的“眼”和“手”【3 8 1 ，利用s p m 可观察原子、移动原 子、构造纳米结构。 本节简要介绍s p m 系列的工作原理及应用，对于与超高密度数据存储密切相 关的s t m 和a f m 将在下节详细介绍。 2 1 1s p m 的基本工作原理 1 f m m 工作原理 图2 2 所示为f m m 的原理示意图。探针针尖以接触形式同被测试样面相接触， 图中曲线为施加于探针针尖的周期信号。为保持探针同试样面恒定接触，使悬臂 梁保持恒定弯曲，需将经计算机处理后的反馈信号送给悬臂梁。由于试样面的局 部弹性有差异，经调制后的探针振动信号随试样面局部弹性的不同而变化，因此， 通过测量振幅的变化量可得到试样面的局部弹性情况。探针所加信号为1 0 0 10 0 0 k h z ，要略高于反馈信号。f m m 的最大特点是可测量表面的弹性变化情况，其横 向分辨率要高于a f m 一个数量级。 2 e f m i 作原理 在e f m 中，探针同试样面的接触情况为非接触型。当探针在试样面上进行扫描 时，由于试样面上电荷密度有差异，探针和试样面间形成的静电力随扫描区域的 不同而变化，因此通过测量悬臂梁的振幅变化量可得到试样面的表面电荷分布情 况。该项技术由于被用于微处理器等深亚微米芯片检测而被称为“电荷探针”。 3 p d m 工作原理 图2 3 所示为p d m 的原理图。在试样面上施加输入信号，则在悬臂梁上有相应的输 出信号。将两种信号同时输入计算机中进行处理，可得到试样面的表面特性。p d m 第二章扫描探针显微镜的基本工作原理 的特点是接触面处的接触方式既可以是接触型、非接触型，也可以是间歇接触型。 可检测出表面的弹性情况、粘性情况和摩擦情况。 图2 3p d m 工作原理简图图2 - 4 原子、分子才操纵示意图 4 s c m 工作原理 在s c m 中探针同试样面的接触方式为接触型的。当探针在试样面上扫描时， 由于针尖同试样面问的介电常数随扫描区域的不同而发生变化，从而导致接触面 处电容的变化。通过测量变化的电容，可获得试样面的介电常数分布情况。s c m 的特点是不仅可以测量表层的介电常数分布，还可以测量深层的介电常数分布。 5 s t h m 工作原理 s t h m 芒e 接触处的接触方式为非接触型。s t m 的悬臂梁由热膨胀系数较大的材 料制成。当探针在试样面上扫描时，由于试样面上不同的热量分布导致悬臂梁的 变形量不同，通过测量悬臂梁的振动变化可得到试样面上热的分布情况。 6 n s o m 工作原理 在n s o m 中，探针被固定，试样面利用压电技术进行扫描。针尖被做成音插形 状，以提高灵敏度。n s o m 可测量几个纳米的近场，对于次长波信息，分辨率可达 5 2 0 n m 。 2 1 2s p m 的应用 目前，利用s p m 实现原子操纵是s p m 研究的热点，并因此带动相关学科产生 新一轮革命。“正是由于s p m 的精确性和准确性，显然对传统微电子工艺形成了 冲击和震动”【3 9 】。图2 4 所示为日本通产省产业技术研究所实现原子、分子操作技 术的示意图i 帅】。图2 5 所示为x c 原子操纵过程示意图。左上图为x e 原子静置在n i 表面上，右上图为探针“拾起”x e 原子的情景。下面两图为s t m 显示的n i 表面形貌。 s p m 在生物技术和生命科学中，也具有广阔的应用前景。图2 - 6 所示是日本通产省 用a f m 观察到的1 0 6 6 对基因q ，d n a 发生突变的位置示意图【柏l 。图中的亮点为d n a 发生突变的位置。目前s p m 在生物技术中的主要应用有：基因分析、染色体和细胞 膜分析、蛋白质和核酸聚合分析、新物种产生等领域。 s p m 是i b m 公司的科学家发明的，所以它在信息技术的应用一直是人们关注的 1 0 基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 图2 5x e 原子操纵过程示意图图2 61 0 6 6 对基因中d n a 发生突变的位置示意图 焦点。随着科技的进步，对芯片的计算功能和存储功能的要求越来越高，如何提高 芯片的性能是信息技术追求的目标。s p m 的产生可谓是信息技术发展的一项催化 剂，必然会带动信息产业更大的发展。以纳米电子加工为例，s p m 技术可以加工更 小尺寸的器件，器件的工作频率也更快，能耗也更低。如果在l e n a 2 s i 表面用原子存 储信息，可存储1 0 1 5 b i t 的信息【4 1 】，是目前所用的1 4 4 m b i t 的7 亿倍。目前s p m 技术主 要应用于微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、表面技术、信息技术和 纳米技术等各种尖端科学领域1 4 2 - 4 4 】。随着纳米器件的发展和s p m 理论的不断完善， 人类将可以用特定的原子制造功能特殊的产品。 2 2 s t m 和a f m 的工作原理及应用 2 1 1s t m 和a f m 的工作原理 1 s t m 的工作原理 图2 - 7 所示为s 1 m 的基本原理图。图中圆圈为原子，中间深色部分为原予核， 周围浅色部分和分散的黑点为电子。上面6 个原予代表探针针尖，下面1 1 个原子代 表被测试样面。s t m 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f 0 4 n m ) ，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 子和试样面原予的电子云部分熏叠，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。a j o h n 和j r c o w a n l 4 5 1 利用量子力学理论，推导出针尖同试样 面相足巨x 的隧道电流为： 掣( 砷一a e x p ( - i k x ) + b e 邛( 溉) ( 2 - 1 ) 目前s t m 的横向分辨率为0 1 n m ，纵向分辨率可达0 0 1 n m ，隧道电流为1 h a 。由 第二章扫描探针显微镜的基本工作原理11 于s t m 是基于隧道效应，因此s t m 的应用受到限制，只能观察导体和半导体材料 制成的试样面。 图2 7s t m i 作原理示意图图2 - 8a f m 工作原理示意图 2 a f m 的工作原理 图2 8 所示为a f m 原理示意图，在悬臂梁上装有微反射镜。图2 9 为探针针尖 同被测试样面接触处的示意图，图中小圆分别代表探针同接触面的原子，探针由 凸起的试样面处扫描到凹下的试样面处。由于试样面原子排列产生“凸凹不平”， 当探针在水平方扫描时，针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化。由固 体物理学理论可知，当探针针尖同试样面很近时，其间会产生原子间力。针尖同 试样面间垂直方向的变化距离导致针尖同试样面间原子间力的变化。变化的原子 间力引起悬臂梁在垂直方向发生振动，因此利用激光束的偏转可检测出针尖同试 样面间变化的原子间力。将激光束的偏转信号输入计算机中进行处理，可得到试样 面的表面信息。在试样面下方装有压电材料，用以接受计算机输出的反馈信号，调 节试样面的高度，以达到保护探针针尖的目的。 由于a f m 是基于原子问力的理论，因此被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘 体领域，其横向分辨率可达0 0 1 r i m 。目前根据探针针尖同试样面的接触情况，将 a f m 的接触形式分为接触型( c 型) 、非接触型d c 型) 、间歇接触型( i c 型) 【4 6 1 。由于 间歇接触型i c - a f m 兼有c - a f m 和n c - a f m 的特点，已成为研究的新热点。 图2 - 9 探针针尖同试样面接触处的示意图图2 1 0 利用s t m 移动x e 原子组成i b m z 个字 2 1 2s t m 和a f m 的应用 基于两态稳定性的超高密度数据存储方式 s t m 和a f m 最初发明的目的是用来对固体表面进行原子级成像的，但由于其 技术的快速发展，s t m 和a f m 的应用领域已不仅仅局限于观察原子排列了，它们 早已被用于原子、分子的操纵，构造具有特定功能的原子级的器件等。本文着重 介绍与原子级信息存储密切相关的单原子操纵方面的应用。 所谓的单原子分子操纵是指将原子分子作为一个整体进行操作，而不涉及分 子的拆分组合。单原子的操纵通常包括三部分，即单原予的提取( e x t r a c t i o n ) 、放置 ( d e p o s i t i o n ) 和移动( d i s p l a c e m e n t ) 。相对而言，单分子操纵由于分子的取向问题，内 容要多一些，除了与原子操纵相同的提取、放置和移动外，还可以进行分子的转动 操纵。 1 s t m 的应用 1 9 9 0 年美国m m 公司a l m a d e n 研究中心的d m e i g l e r 研究组利用s t m 首次成功 地移动了吸附在金属n i ( 1 1 0 ) 表面上的3 5 个x e 原子，并组成了如图2 1 0 所示的 “i b m ”三个字母1 4 ”。1 9 9 3 年e i g l e r 研究组在超高真空和液氦温度下用电子束将 0 0 0 5 单层铁原子蒸发到清洁的c u ( 1 1 1 ) 表面，然后用s t m 将4 8 个吸附的铁原子在这 个表面上移动形成量子空心围拦，半径7 1 3 r i m 4 8 j 引，如图2 1 1 ( a ) 所示。从图中可以 清晰地看到围栏中间的图像反映了禁锢于其中的表面电子的电子态密度，由于边 界的限制，它呈驻波状态。 与此同时，他们还在c u ( 1 1 1 ) 表面上成功地用1 0 1 个f e 原子写下“原子”2 个迄今 为止最小的汉字，如图2 1 1 所示。采取这种十分简单的方法就可以移动吸附在c u 表面上的f e 原子，是因为金属原子c u 和f e 之间的金属性结合( 金属键) 比较弱，无 须很大的力就可以将其断裂。 图2 1 1 利用s t m 操纵f e 原子在c u ( 1 1 1 ) 表面构成的量子围栏和汉字( 左图为a ，右图为b ) 中国学者黄德欢博士及合作者在单原子操纵方面进行了大量系统研究。图 2 一1 2 是黄德欢组利用s t m 操纵单原子进行表面缺陷修复的实验i ”1 。实验中，将吸附 有s i 原子的s t m 针尖置- t s i ( 1 1 1 ) 7 7 8 面上的s i 单原子缺陷上方，然后用加脉冲电 压的方法将s i 原子放入缺陷内，实现表面单原子缺陷的修复。图a 是修复前的 s i ( 1 1 1 ) 7 7 表面s t m 像；图b 是修复后的同一区域的图像。可以看出，图a 中的5 个 s i 单原子空位( 箭头所指) 在图b 中已被用s t m 放置的单个s i 原子修复( 用“+ ”标出) 。 第二章扫描探针显微镜的基本工作原理 1 3 图中用圆圈圈出的部分是一个自然缺陷，用来作为标记，以确定a 、b 两图是同一区 域。图2 1 3 是黄德欢实验组利用s i m 在s i ( 1 1 1 ) 7 7 表面加工的一条s i 单原子链【5 2 1 实验，s t m 针尖沿着s i ( 1 1 1 ) 7 x 7 表面上单胞洞的方向( 图b 中的a 、b 方向) 有序并 连续地移走单个s i 原子，从而加工出两条相隔一个原子的单原子槽。随后，这两条单 原子槽之间的s i 原子自动重新组合，构成一条间隔均匀的直线单原子链( 图a ) 。 图2 1 2 利用s t m 进行表面缺陷修补( 左图为a ，右图为b ) ：夕 图2 1 3 利用s t m 在s i ( 1 1 1 ) 7 7 表面加工的s i 单原子链( 左图为a ，右图为b ) 2 a f m 的应用 图2 1 4 是利用a f m 进行的表面) 3 1 i 5 2 。其q 】i g l a 为日本佳能公司用原子力显微 镜在l b 膜上刻写的c a n n