掃描探針顯微鏡的研究與應(yīng)用

掃描探針顯微鏡的研究與應(yīng)用

1981年，ibm在蘇州實驗室的r.斌寧和h.rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（stm），并觀察到了具有明顯si（111）表面結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)。人類第一次進入原子世界，并直接觀察物質(zhì)表面上的單個原子。這就是為什么他們獲得了諾獎。1985年，g.斌基于stm理論發(fā)明了原子力顯微鏡（afm），將觀察對象從體和體擴展到絕緣體。ivanamato將afm比作“納米世界的選定攝影攝像頭”?；趕tm和afm的理論，先后發(fā)明了一系列力學(xué)調(diào)節(jié)顯微鏡（mm）、相位檢測顯微鏡（pdm）、靜電力顯微鏡（東興）、電鉻顯微鏡（scm）、熱掃描顯微鏡（sthm）、近場光隧道掃描顯微鏡（nid）等。這些顯微鏡是基于研究模型表面的縱向和橫向掃描變化，并通過測量結(jié)果進行世界上的排名。目前,SPM已不僅僅限于觀察原子排列了,而已深深滲入微電子技術(shù)、生物技術(shù)、基因工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)、表面技術(shù)、信息技術(shù)和納米技術(shù)等各種尖端科學(xué)領(lǐng)域.尤其是用SPM來操縱單原子、單分子技術(shù),將使人類從目前的微米尺度上對材料的加工迅速跨入到納米尺度、原子尺度上的加工,完成單分子、單原子、單電子器件的制作,從而導(dǎo)致相關(guān)學(xué)科高速發(fā)展.在信息科學(xué)上,SPM使信息存儲量大幅度提高;在生命科學(xué)中,SPM完成物種再造;在材料科學(xué)中,SPM創(chuàng)造新原子結(jié)構(gòu)材料,并可實現(xiàn)納米機械加工設(shè)備.可以說SPM對推動人類科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命有無法估量的動力.我國科學(xué)技術(shù)部等五部委頒發(fā)的《國家納米科技發(fā)展綱要(2001-2010)》中,將SPM列為急需突破的關(guān)鍵技術(shù).中科院化學(xué)所和物理所在SPM領(lǐng)域作了大量工作,某些方面已處于國際領(lǐng)先水平.白春禮院士將SPM比作為納米的“眼”和“手”,利用SPM觀察原子、移動原子、構(gòu)造納米結(jié)構(gòu).該文介紹了各種系列的掃描探針顯微鏡基本原理、研究現(xiàn)狀和國際進展及應(yīng)用,重點介紹原子操縱和在生命科學(xué)、信息科學(xué)的應(yīng)用,并提出了SPM的研究方向.1探針的產(chǎn)生過程圖1所示為SPM原理簡圖.圖中深色部分為被測試樣面.當(dāng)探針在水平方向進行掃描時,由于被測表面因原子排列而形成的“凸凹不平”,導(dǎo)致針尖在垂直方向有變化的ΔZ.由ΔZ的變化引起在接觸區(qū)域的力、電流、電容、熱、光的變化,檢測這些變化量導(dǎo)致各種系列的SPM的產(chǎn)生.探針的水平掃描可達100?μm100?μm,垂直掃描可達4?μm4?μm.探針多由Si,W或Ni材料制成.1.1針尖同試樣面電子排列的關(guān)系圖2所示為STM的基本原理圖.圖中圓圈為原子,中間深色部分為原子核,周圍淺色部分和分散的黑點為電子云.上面6個原子代表探針針尖,下面11個原子代表被測試樣面.STM的基本原理是基于量子隧道效應(yīng).當(dāng)針尖和試樣面間距離足夠小時(<0.4nm),在針尖和試樣面間施加一偏置電壓,便會產(chǎn)生隧道效應(yīng),電子在針尖和試樣面之間流動,形成隧道電流.在相同的偏置電壓作用下,隨著探針同試樣面間的距離減小,隧道電流很快增大(可增大1～2個數(shù)量級),同時針尖原子和試樣面原子的電子云部分重疊,使兩者之間的相互作用大大增強.由于隧道電流隨距離呈指數(shù)形式變化,因此,試樣面上由于電子排列形成的“凸凹不平”表面導(dǎo)致隧道電流劇烈的變化.檢測變化的隧道電流并經(jīng)計算機處理,便能得到試樣面的原子排列情況.A.John和Jr.Cowan利用量子力學(xué)理論,推導(dǎo)出針尖同試樣面相距X的隧道電流為Ψ(x)=Aexp(?ikx)+Bexp(ikx).Ψ(x)=Aexp(-ikx)+Bexp(ikx).目前STM的橫向分辨率為0.1nm,縱向分辨率可達0.01nm,隧道電流為1nA.由于STM是基于隧道效應(yīng),因此,STM的應(yīng)用受到限制,只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的試樣面.1.2針尖同試樣面間的垂直變化圖3所示為AFM原理示意圖,在懸臂梁上裝有微反射鏡.圖4為探針針尖同被測試樣面接觸處的示意圖,圖中小圓分別代表探針同接觸面的原子,探針由凸起的試樣面處掃描到凹下的試樣面處.由于試樣面原子排列產(chǎn)生“凸凹不平”,當(dāng)探針在水平方掃描時,針尖同試樣面間的距離在垂直方向便會產(chǎn)生變化.由固體物理學(xué)理論可知,當(dāng)探針針尖同試樣面很近時,其間會產(chǎn)生原子間力.針尖同試樣面間垂直方向的變化距離導(dǎo)致針尖同試樣面間原子間力的變化.變化的原子間力引起懸臂梁在垂直方向發(fā)生振動,因此,利用激光束的偏轉(zhuǎn)可檢測出針尖同試樣面間變化的原子間力.將激光束的偏轉(zhuǎn)信號輸入計算機中進行處理,可得到試樣面的表面信息.在試樣面下方裝有壓電材料,用以接受計算機輸出的反饋信號,調(diào)節(jié)試樣面的高度,以達到保護探針針尖的目的.由于AFM是基于原子間力的理論,因此,被測試樣面由導(dǎo)體和半導(dǎo)體擴展到絕緣體領(lǐng)域,其橫向分辨率可達0.01?nm0.01?nm.目前根據(jù)探針針尖同試樣面的接觸情況,將AFM的接觸形式分為接觸型(C型)、非接觸型(NC型)、間歇接觸型(IC型).由于間歇接觸型IC-AFM兼有C-AFM和NC-AFM的特點,已成為研究的新熱點.1.3反饋信號的影響圖5所示為FMM的原理示意圖.探針針尖以接觸形式同被測試樣面相接觸.圖中曲線為施加于探針針尖的周期信號.為保持探針同試樣面恒定接觸,使懸臂梁保持恒定彎曲,需將經(jīng)計算機處理后的反饋信號送給懸臂梁.由于試樣面的局部彈性有差異,經(jīng)調(diào)制后的探針振動信號隨試樣面局部彈性的不同而變化,因此,通過測量振幅的變化量可得到試樣面的局部彈性情況.探針?biāo)有盘枮?00～1000kHz,要略高于反饋信號.FMM的最大特點是可測量表面的彈性變化情況,其橫向分辨率要高于AFM一個數(shù)量級.1.4接觸方式的輸出圖5所示為PDM的原理圖.在試樣面上施加輸入信號,則在懸臂梁上有相應(yīng)的輸出信號.將兩種信號同時輸入計算機中進行處理,可得到試樣面的表面特性.PDM的特點是接觸面處的接觸方式既可以是接觸型、非接觸型,也可以是間歇接觸型.可檢測出表面的彈性情況、粘性情況和摩擦情況.1.5懸臂梁表面電荷分布在EFM中,探針同試樣面的接觸情況為非接觸型.當(dāng)探針在試樣面上進行掃描時,由于試樣面上電荷密度有差異,探針和試樣面間形成的靜電力隨掃描區(qū)域的不同而變化,因此,通過測量懸臂梁的振幅變化量可得到試樣面的表面電荷分布情況.該項技術(shù)由于被用于微處理器等深亞微米芯片檢測而被稱為“電荷探針”.1.6scm特點原理在SCM中探針同試樣面的接觸方式為接觸型的.當(dāng)探針在試樣面上掃描時,由于針尖同試樣面間的介電常數(shù)隨掃描區(qū)域的不同而發(fā)生變化,從而導(dǎo)致接觸面處電容的變化.通過測量變化的電容,可獲得試樣面的介電常數(shù)分布情況.SCM的特點是不僅可以測量表層的介電常數(shù)分布,還可以測量深層的介電常數(shù)分布.1.7試樣表面熱分析SThM在接觸處的接觸方式為非接觸型.STM的懸臂梁由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成.當(dāng)探針在試樣面上掃描時,由于試樣面上不同的熱量分布導(dǎo)致懸臂梁的變形量不同,通過測量懸臂梁的振動變化可得到試樣面上熱的分布情況.1.8nom技術(shù)掃描在NSOM中,探針被固定,試樣面利用壓電技術(shù)進行掃描.針尖被做成音插形狀,以提高靈敏度.NSOM可測量幾個納米的近場,對于次長波信息,分辨率可達5～20nm.2spm在原子操縱中的應(yīng)用1959年美國物理學(xué)會年會上,諾貝爾物理獎獲得者RichardFeynman說:“如果我們能夠按自己的意愿排列原子,將會出現(xiàn)何物?這些物質(zhì)的性質(zhì)如何?雖然這個問題我們現(xiàn)在不能回答,但我決不懷疑我們能在如此小的尺寸上操縱原子.”目前,RichardFeynman的設(shè)想可以實現(xiàn)了.使用STM進行單原子操縱的較普遍的方法,是在針尖和試樣面之間施加偏置電壓.由于針尖同試樣面之間的距離很小,因此,在偏置電壓作用下,針尖和試樣面之間將產(chǎn)生強大電場(109～1010?V/m).試樣面上的吸附電子在強電場作用下,經(jīng)過蒸發(fā)被移動或提取,在試樣面上留下空穴,從而實現(xiàn)單原子的移動和操縱.同樣,吸附在針尖上的原子也有可能在強電場作用下,經(jīng)過蒸發(fā)而沉積到試樣面上,完成單原子的放置.利用AFM進行單原子操縱還處于研究階段.通過控制針尖同試樣面之間的距離,利用針尖和試樣面原子之間不同的原子間力,實現(xiàn)原子操縱.目前,利用SPM實現(xiàn)原子操縱是SPM研究的又一新熱點,并因此帶動相關(guān)學(xué)科產(chǎn)生新一輪革命.“正是由于SPM的精確性和準(zhǔn)確性,顯然對傳統(tǒng)微電子工藝形成了沖擊和震動”.圖7所示為日本通產(chǎn)省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所實現(xiàn)原子、分子操作技術(shù)的示意圖.圖8所示為Xe原子操縱過程示意圖.左上圖為Xe原子靜置在Ni表面上,右上圖為探針“拾起”Xe原子的情景.下面兩圖為STM顯示的Ni表面情況.SPM在生物技術(shù)和生命科學(xué)中,也具有廣闊的應(yīng)用前景.圖9所示是日本通產(chǎn)省用AFM觀察到的1?0661?066對基因中DNA發(fā)生突變的位置示意圖.圖中的亮點為DNA發(fā)生突變的位置.目前SPM在生物技術(shù)中的主要應(yīng)用有:基因分析、染色體和細(xì)胞膜分析,蛋白質(zhì)和核酸聚合分析,新物種產(chǎn)生等領(lǐng)域.SPM是IBM公司的科學(xué)家發(fā)明的,它在信息技術(shù)的應(yīng)用,一直是人們關(guān)注的,隨著科技的進步,對芯片的計算功能和存儲功能的要求越來越高,如何提高芯片的性能是信息技術(shù)追求的目標(biāo),SPM的產(chǎn)生可謂是信息技術(shù)發(fā)展的一項催化劑,必然會帶動信息產(chǎn)業(yè)更大的發(fā)展.以納米電子加工為例,SPM技術(shù)可以加工更小尺寸的器件,器件的工作頻率也更快,能耗也更低.如果在1?cm21?cm2Si表面用原子存儲信息,可存儲1015?bit1015?bit的信息,是目前所用的1.44?Mb1.44?Μb的7億倍.目前SPM技術(shù)主要應(yīng)用于微電子技術(shù)、生物技術(shù)、基因工程、生命科學(xué)、表面技術(shù)、信息技術(shù)和納米技術(shù)等各種尖端科學(xué)領(lǐng)域.隨著納米器件的發(fā)展和STM理論的不斷完善,人類將可以用特定的原子制造特殊功能的產(chǎn)品.3電壓影響原子遷移目前SPM的發(fā)展方向主要有:⑴探針針尖的工藝研究.探針針尖的工藝對SPM分辨率至關(guān)重要,如何提高針尖尖度、延長探針使用壽命將成為SPM長期研究的問題.⑵對于STM,偏置電壓的控制,也是研究的關(guān)鍵.電壓過高,電場強度增大,有利于原子遷移;然而場強過大,在針尖和試樣面之間會產(chǎn)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致原子操縱過程變得復(fù)雜.⑶接觸面處的接觸距離,是SPM中