第二讲扫描探针显微镜

1、扫描探针显微镜在纳米机械加扫描探针显微镜在纳米机械加工方面的应用工方面的应用接触模式接触模式AFM的缺陷：的缺陷：对于柔软样品易于损坏对于柔软样品易于损坏b轻敲模式刻蚀法在轻敲模式刻蚀法在Ti片上刻蚀得到的纳米点阵结构，片上刻蚀得到的纳米点阵结构，a：纳米点阵结构的形貌图，：纳米点阵结构的形貌图，b：纳米点阵结构的三维：纳米点阵结构的三维结构像。结构像。IBM nanotubemanipulation forpositionnanotube ontransistors.硅的机械刻蚀硅的机械刻蚀(a)(b)(c)Figure1. (a) The top view of rectangle mic

2、rocantilever with a sharpened pyramidal tip. (b) The AFM image of scratch groove on Si(100) surface with using 10N applied force,1m/s speed. (c) The section profile of the line indicated in the AFM image SEMJ. Vac. Sci. Technol. B, 27,2009，953刻蚀方向的影响(a)(b)(c)Figure2. (a) and (b) The AFM image of scr

3、atched on Si(100) surface at different applied force (1,2,4,6,8,10,12,14,16,18 and 20N) 探针与硅之间的力的影响。探针与硅之间力的影响探针与硅之间力的影响(a)(b)Figure3. (a) The AFM image of scratched on Si(100) surface at applied force 10N and the scratch speeds equal to 0.1,0.5,1,5 and 10m/s. (b) The relationships between the scrat

4、ched grooves size and the scratch speeds. 扫描速度的影响扫描速度的影响(a)(b)Figure4. (a) The AFM image of scratched on Si(100) surface at applied force 10N, the scratch speed of 1m/s and the number of scratch cycle equal to 1,2,4,6,8,10. (b) The relationships between the scratched grooves size and the number of s

5、cratch cycle. 循环次数，即刻蚀次数的影响循环次数，即刻蚀次数的影响作用力：8N, 速度：1m/s 循环4次.槽深 2nm，宽度100 nm左右 在硅基底上刻蚀得到的规则结构（在硅基底上刻蚀得到的规则结构（1）(a)(b)作用力：10N, 速度：1m/s 循环5次. 槽深5-6 nm， pitch宽度 70 nm在硅基底上刻蚀在硅基底上刻蚀The AFM image The three-dimensional image The Square array is about 70 nm pitch line and the depth is about 10 nm, the squa

6、re area is about 100100 nm作用力：10N, 速度：1m/s 循环4次.在硅基底上刻蚀得到的规则结构（在硅基底上刻蚀得到的规则结构（2）The AFM image The three-dimensional image The dot array is about 70 nm pitch line and the depth is about 4nm 作用力：8N, 速度：1m/s 循环5次.在硅基底上刻蚀得到的规则结构（在硅基底上刻蚀得到的规则结构（3）（a) (b) 刻蚀得到的字母“HNU”、“ASU”（b）（a）纳米图案的刻蚀纳米图案的刻蚀 Scanning Sp

7、reading Resistance microscopy -电流同时测电流同时测 电流同时测 探针探针样样品间距由微悬品间距由微悬臂的垂直形变臂的垂直形变量决定，在扫量决定，在扫描的过程中施描的过程中施加合适的直流加合适的直流偏压，偏压，纪录所纪录所测得的电流，测得的电流，与相应的形貌与相应的形貌像对应像对应 测量过程和一般的接触模式测量过程和一般的接触模式AFM相同，只是在探相同，只是在探针针样品间距（样品间距（s）施加合适的偏压。）施加合适的偏压。 简言之，当微悬臂形变量大于设定值时，反馈回简言之，当微悬臂形变量大于设定值时，反馈回路将发送命令使路将发送命令使s变大，即探针远离样品；当微

8、悬臂变大，即探针远离样品；当微悬臂形变量小于设定值时，反馈回路将发送命令使形变量小于设定值时，反馈回路将发送命令使s变小，变小，即探针接近样品，接近到一定程度，微悬臂形变量又即探针接近样品，接近到一定程度，微悬臂形变量又会大于设定值，回到上一个循环。纪录探针的运动轨会大于设定值，回到上一个循环。纪录探针的运动轨迹即可得到样品的形貌。迹即可得到样品的形貌。测量过程测量过程I/V curve 探针样品间距探针样品间距s由原子间的斥力决定，由原子间的斥力决定，保持距离保持距离s恒定，在探针与样品间施加一恒定，在探针与样品间施加一渐变的直流偏压，监测产生的电流与所施渐变的直流偏压，监测产生的电流与所施

9、加偏压的关系，即加偏压的关系，即I/V Characteristic.电流同时测以及接触模式下电流同时测以及接触模式下I-V 曲线的应用曲线的应用 GaAs基底表面生长基底表面生长InAs纳米颗粒纳米颗粒 InAs颗粒的电子传输能力颗粒的电子传输能力大于大于GaAs基底基底I/V Curve: a): the wetting layer; b) a 20 nm QD c): a 50 nm QD; d) a 100 nm QD 作者认为探针和作者认为探针和GaAs基底之间形成基底之间形成一个一个Tip-contact 肖特基二极管。通常情况肖特基二极管。通常情况下，下， GaAs基底表面存在一

10、层氧化层作为基底表面存在一层氧化层作为耗尽层，费米能级被钉住。耗尽层，费米能级被钉住。 GaAs基底和基底和InAs颗粒之间形成异质结，外加偏压对带颗粒之间形成异质结，外加偏压对带弯的影响解释了为什么较大的颗粒具有较弯的影响解释了为什么较大的颗粒具有较好电子传输能力。好电子传输能力。通常颗粒薄膜，电流显示明显的形貌特征，各向同通常颗粒薄膜，电流显示明显的形貌特征，各向同性的导电能力，偏压是性的导电能力，偏压是-1.5V。 电流同时测测量的过程测量的过程中，保持探中，保持探针的导电性针的导电性良好良好Metal-Molecular-Metal junctionC.Daniel Frisbie g

11、roup 探针与样品间作用力，探针与样品间作用力，探针半径，有机分子的探针半径，有机分子的HOMO-LUMO结构，分子结构，分子和基底电极的接触电阻等等。和基底电极的接触电阻等等。The sketch map of the LB film structureThe chain of AA is longer than that of SA(OA), the top of the fatty chain is scraggy. And the C60 molecules stay on the top of the fatty chain. The sketch map of the C60/C

12、dS compositeC60:AA:SA:OA=2:3:3:4After H2S sulfureted hydrogen CdS-n-Si-4-3-2-101234-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0Current (nA)Bias (v) dark Hg light after Hg lightI/V curve at point 1, with light the current began to rise at low negatively bias, while didnt change at positively bias compared to the curre

13、nt in dark.passive5.65eVhvWith or withour light, the current is not obviously changed.eeCdS n-SieBias0-4-3-2-101234-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0Current (nA)Bias (v) dark Hg light after Hg lightWithout light, the bias must be reach about 2V, current will occur. Under light, the upper energy level will b

14、e opened.Position 1: without lightPosition 2: with lighteC60-CdS-n-Si-3-2-10123-1.0-0.50.00.51.01.52.0Current (nA)Bias (v) dark Hg light-3 after Hg lightWith light, the current will occur at very low negatively bias, while didnt change obviously at positively bias.Bias0n-Si CdSLighteC60Bias ODS CMPS

15、 FAS3 FAS17有机薄膜的表面电势模型有机薄膜的表面电势模型: 应用应用-有机模型有机模型VODSVFAS17VODSVFAS3VODSVCMPSVODSVAHAPS 应用应用-有机模型有机模型 应用应用-有机模型有机模型光照前表面电势光照前表面电势 表面形貌表面形貌 光照后表面电势光照后表面电势 利用研究光照下的电子转移过程利用研究光照下的电子转移过程NNNNHOOHCNHHNCOOClCl二氯联苯分子式二氯联苯分子式 此种偶氮分子具有强拉电子基此种偶氮分子具有强拉电子基-氯基，使整个分氯基，使整个分子的电子填充水平降低，使二氯联苯显示子的电子填充水平降低，使二氯联苯显示p-特性；特性

16、；n-Si/TiO2之间将会电荷转移之间将会电荷转移 。 从原理上讲，偶氮类颜料在受到共振吸收频率从原理上讲，偶氮类颜料在受到共振吸收频率的光照射后会发生顺反异构变化，其分子形貌应发的光照射后会发生顺反异构变化，其分子形貌应发生改变，这在偶氮类染料或颜料的单分子膜中可以生改变，这在偶氮类染料或颜料的单分子膜中可以特别清晰的观察到。特别清晰的观察到。 二氯联苯与二氯联苯与n-Si/TiO2之间发生了光致界面电荷之间发生了光致界面电荷转移行为，二氯联苯的光生电子转移到转移行为，二氯联苯的光生电子转移到n-Si/TiO2中中而光生空穴留在二氯联苯聚集粒子当中，因此二氯而光生空穴留在二氯联苯聚集粒子当

17、中，因此二氯联苯聚集粒子集中了大量的正电荷，显示正电位联苯聚集粒子集中了大量的正电荷，显示正电位 。 Scanning capacitance microscopy The probe tip is kept in contact or non-contact with the surface to generate a topographic image. In addition, an AC and DC voltage are applied between the tip and a semi-conductor sample. Changes in the capacitance o

18、f the semiconductor beneath the probe tip are measured using a special sensor. Changes in the capacitance are mapped simultaneously with topography.探针与样品可以看作电容器：探针与样品可以看作电容器：平行板电容器：平行板电容器：球体与平板电容器：球体与平板电容器：Tunneling AFM (TUNA)Tunneling AFM (TUNA) characterizes ultralow currents (1 pA) of small conductivity