研究生读书报告纳米制造之扫描探针显微镜

人高20亿纳米100万纳米

针头红血球分子及DNA1千纳米1

纳米0.1

纳米氢原子Earth1.2x107mInGreek,“nano”meansdwarf纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米。什么是纳米(nanometer)？当前1页，总共41页。神奇的纳米结构(nanostructure)

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。当前2页，总共41页。人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮当前3页，总共41页。纳米轨道状当前4页，总共41页。美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士”研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战士”。美国未来“超级战士”可能配备的装备有：埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击；由“铰合分子”制造的比人体肌肉强壮10倍的“肌肉”，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。“纳米科技战士”当前5页，总共41页。未来的美军作战服可能就是这个样子当前6页，总共41页。机器人配备纳米“大脑”当前7页，总共41页。国外纳米技术进展朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”当前8页，总共41页。纳米科技的战略地位

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。当前9页，总共41页。纳米技术的支撑

—扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微STM(ScanningTunnelingMicroscope)加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，可实现极限的精加工，原子级的精加工。当前10页，总共41页。SEM(扫描显微镜)AFM(原子力显微镜)STM(扫描隧道显微镜)当前11页，总共41页。扫描显微镜的发展历程

社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说，发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。当前12页，总共41页。

第一代为光学显微镜

1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具。当前13页，总共41页。第二代为电子显微镜

20世纪三十年代早期卢斯卡(E.Ruska)发明了电子显微镜，使人类能”看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。当前14页，总共41页。第三代为扫描探针显微镜也可简称为纳米显微镜。1981年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜(STM)，使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格应奎特(C.F.Quate)发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜(AFM)，也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜(SPM)系列。当前15页，总共41页。三种观察原子的方法比较

TEMX—衍射STM/AFM空间分辨率1--10Ǻ1Ǻ1Ǻ（Z：0.1Ǻ）样品制备测量条件超薄切片真空结晶样品mg级量近自然、液体μg--ng结构信息2维平均结构参数

三维内部结构单个分子结构、

局域结构、

表面三维结构图像直观拟合、重构真实、直观当前16页，总共41页。三代显微镜的观察范围及典型物体

当前17页，总共41页。扫描隧道电子显微镜

1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM），获1986诺贝尔物理奖。

目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01nm。

当前18页，总共41页。

扫描探针显微镜发展与展望

目前，STM/AFM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STM/AFM来操纵单原子、单分子技术，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、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，STM/AFM使信息存储量大幅度提高；在生命科学中，STM完成物种再造；在材料科学中，STM/AFM创造新原子结构材料，并可实现纳米机械加工设备。可以说STM/AFM在微电子学、微机械学、计量学、化学和生物医学等领域中有广泛的应用前景。

同时，对检测结果有待于进一步探讨，如针尖效应、体与面的差别，所以有待于进一步的开发和研究。随着STM/AFM技术的发展，可以根据用户的需要开展新的领域探索：如除了形貌成像外，STM/AFM希望还能探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力。当前19页，总共41页。1990年，美国加州的IBM研究室等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。当前20页，总共41页。

在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm,人们称它为"一氧化碳小人"。当前21页，总共41页。用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。当前22页，总共41页。扫描隧道显微镜（STM）是如何工作的？工作原理——量子力学的隧道效应两个平板导体间的隧道效应实验装置稍加改变即成为STM的雏形Z<1nmIT∝V·e-K0Z

Z：间隔距离

V：偏压探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离当前23页，总共41页。STM探针形状测量和校正；STM最佳化应用及不确定性评估；标准物质的备；仪器性能的标准化；数值分析的标准化；制样指南和标准制定。STM进行纳米测量还有一些问题有待解决当前24页，总共41页。1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学Quate研发出了原子力显微镜(AFM)，弥补了STM的不足.当前25页，总共41页。隧道效应：经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。当前26页，总共41页。原子间范德华力图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。

当前27页，总共41页。

在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜(contactAFM)，探针与试片的距离约数个Å。（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜(non-contactAFM)，探针与试片的距离约数十到数百Å。

当前28页，总共41页。在生物医学研究中，最常用的一种模式是敲击模式(tappingAFM)：在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。当前29页，总共41页。敲击模式的优越性：敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。当前30页，总共41页。硬件架构：

在原子力显微镜(AFM)的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。当前31页，总共41页。

力检测部分：

在原子力显微镜(AFM)的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微悬臂(cantilever)来检测原子之间力的变化量。这微悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。当前32页，总共41页。

位置检测部分：

在原子力显微镜(AFM)的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂(cantilever)摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器作信号处理。当前33页，总共41页。

反馈系统：

在原子力显微镜(AFM)的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。当前34页，总共41页。原子力显微镜(AFM)便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜(AFM)的系统中，使用微小悬臂(cantilever)来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。当前35页，总共41页。当前36页，总共41页。原子力显微镜的应用AFM可以满足多种不同样品的要求，用于多种系统的成像量子点生物分子多聚体单体的自组装当前37页，总共41页。原子力显微镜对金的观测烟草花叶病毒扫描图沉积于云母片上的抗体分子的AFM成像。空气中，室温。由于抗体分子沉积于支持物的方向不同，而表现出几种形态。当前38页，总共41页。AFM的缺点

受样品因素限制较大（不可避免）.针尖易磨钝&受污染（磨损无法修复；污染清洗困难）.针尖—样品间作用力较小.当前39页，总共41页。总结

AFM利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，