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lencho925

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[交流] SPM的历史!

SPM的历史

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes简称SPMs)包括扫描显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜以及扫描热显微镜等，是一类完全新型的显微镜。它们通过其端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。由于采用了扫描探针技术，这显微镜轻而易举地克服了光学显微镜所受的Abbe 囿限，能够以空前的高分辨率探测原子与分子的形状，确定物体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需在物理学、化学、生物、微电子学与材料科学等领域获得了极为广泛的应用，以至人们逐渐认识到：这类显微镜的问世不权权是显微技术的长足发展，而且标电着一个科技新纪元--纳米科技时代的开始。
扫描探针显微镜家族的主要成员

在科学发展史上直观顾观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。1982年IBM公司苏黎士研究实验室的Gerd Biningt Heinrich Roher研制出一种新型显微镜--扫描隧道显微镜，终于使这一愿成为现实。这种显微镜是基于量子力学的隧道效应，通过一个由压电陶瓷驱动的探针在物体表面作精确的二维扫描，其扫描精度达到几分之一毫微米（即纳米=10-9）。该探针尖端可以制成只有一个原子大小的粗细，并且位于距样品表面足够近的距离内，以使探针尖端与样品表面之处的电子支有些微重叠。这时若在探针与样品表面之间加一上定的偏压，就会有一种被称作为隧道电流的电子流流过探针。这种隧道电流对探针与物体表的间距十分灵敏，从而在探针扫描时通过感知这种隧道电流的变化就可以记录下物体表面的起伏情况。这些信息再经计算机重建后就可以计算机屏幕上获得反映物体表面形貌的直观图象。这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
扫描隧道显微镜是继透射电镜和场离子显微镜之后具有原子级分辨率的新一代显微镜。与已有的其它各种显微镜相比，它具有如下特性：
（一）STM具有空前的空间分辨率，其横向与纵向分辨率已分别达到0.1nm和0.01nm,完全可分辨单个原子。（原子的典型尺寸为0.2～0.3纳米）
（二）STM得到的是实空音质直观图象,无需用试差模体进行对比计算,从而有利于表面动态过程的实时观测。
（三）STM可得到表面单原子层的局域结构图象，这对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附物质的位置及形貌极其有效。
（四）STM在真空、大气、溶液等环境中都能保持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品表面的观测。这为生物样品的研究提供了新途径。
（五）STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术。而且样品需求量很小（毫微克），这为观测珍稀提供了便利。
（六）在超高真空条件下，STM不仅可获得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱（STS）研究表面的电子结构。这对表面物理研究很有用途。

作为扫描探针显微镜家族的第一个成员，扫描隧道显微镜的问世使得人类直接观测微观世界的大门被打开。更为重要的是，扫描隧道显微镜还使得人们对单个原子、分子的直接操纵成为现实，由此引发出一种新的加工工艺--纳米加工。利用STM人们可以直接排布原子、分子来制造新产品，IBM公司的一位科学家就利用STM将28个一氧化碳分子在铂表面上排成了世界上最小的"分子人"。
由于STM是通过探测隧道电流来感知物体表面情况的，因而它有一主要缺陷：这在一定程度上限制了它的应用。
原子力显微镜是一种对非导电试样也敏感的扫描探针显微镜，它通过探测原子间的近距相互作用力（范得瓦斯力）而非隧道电流来获取物体表面信息。这使得AFM在材料领域获得了极为广泛的应用。但目前其分辨率没有STM高。
激光力显微镜引入了激光测距技术，从而对微弱力的测量相当敏感。其探针离样品表面的间距2～20nm远，这一间距比STM及AFM中的间距大得多。它感知的是试样表面与探针之间微弱的吸引力。在半导体和绝缘体上这一吸引力主要是由凝聚在探针尖端与试样间的水表面张力产生的，但范得瓦尔斯作用也促进了这一吸引力的生成。由于激光力显微镜的探针与样品表面保持很大的间距，它十分有利于检测表面起伏较大的试样。如用于检查深而狭窄的狭缝内部特征。
磁力显微镜、静电力显微镜与扫描热显微镜都是专用型扫描探针显微镜。它们分别通过探测探针和表面间磁力、静电力与热散失率来获知样品表面形貌，从而可用之研究物体表面的磁、电及热特性。
扫描探针显微镜的诸多功能使得它在物体表面结构的研究中获得广泛应用。限于篇幅，这里我们仅就其在微电子学中的应用作一介绍。扫描探针显微镜在微电子学中的应用

扫描探针显微镜是为寻求微电子器件制造过程中的生产质量管理新方法而诞生的。在过去一段时期内扫描电子显微镜（SEM）曾是微电子学的标准研究工具，它可以分辨出小至几个毫微米的细节。但是这种显微镜要求试样涂复金属并在真空中成象，且其三维分辨能力很差，此外，它发射的高能电子可能会损害甚至摧毁半导体器件，这就大大降低了扫描电子显微镜在控制生产质量方面的价值。扫描探针显微镜作为一种简单、直接而强有力的观察工具，一经问世立即被用于微电子器件的制造过程中。尤其是扫描探针显微镜中的激光力显微镜，它能在不接触表面的情况下绘制出电子元件表面图象，不论这些元件的组成成份如何，这对监督和改进亚微米集成电路的工艺具有突出的作用。

基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术（Nanolithgraphy）。这种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。目前，微电子技术中最细的刻线为几分之一微米，而利用STM中针尖与表面的相互作用可以进行纳米级的刻蚀。目前刻蚀图形的线宽约为10nm。这种纳米刻蚀技术应用于微电子的工作介质上就有可能制造出高密度的存储器。日本NEC公司已研制出超高密度记录技术，其记录密度为目前磁盘的约3000倍。若将STM刻蚀技术与分子束外延薄膜生产技术相结合，即可用于制造三维尺寸均为纳米级的量子器件。例如利用砷镓和砷铝镓多层分子束外延薄膜材料加上纳米刻蚀，即可构成电或光的量子器件。这将对微电子、激光技术和光电技术带来革命性的影响。

扫描探针显微镜所提供的单个原子、分子的操纵手段还可能导致原子级的计算机开关器件的诞生。1991年，IBM公司科学家O.Eigler利用STM能快速重复地在镍表面同一位置"拾"起或"放"下一个氙原子，原则上创造了一个单原子双向开关，日前更为专用的操纵原子的"原子加工显微镜"已由美国科学家研制成功，这种显微镜可相当方便面地移走材料表面的某一种原子和搬来另一种原子，从而形成一种新材料。这一切在数分种内就可以完成。这种显微镜最激动人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的计算机和毫微芯片。
扫描探针显微镜在光盘、磁盘的表面结构分析中也获得了广泛的应用。此外，扫描探针显微镜还可以用于修整材料缺陷，改变材料特性，或是修整电子器件，从而使材料和电子器件的特性达到最佳化。美国能源部实验室的科学家卡兹墨斯基借助于原子加工显微镜在材料表面掺杂后，N型材变成了P型材料。

纳米科学技术的兴起与产业化

扫描探针显微学的飞速发展使人们不权可以直观地观察原子、分子世界，可以直接操纵原子、分子。在这个基础上90年代初诞生了一门新的科技--纳米科学技术（Nano ST）。纳米科技是在0.1-100纳米尺度上研究和应用原子、分子现象及其结构信息，是一门学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新科技。它包括了纳生物学、纳电子学、纳化学、纳米材料学以及纳机械学等新兴学科。纳米在这里不仅是一个空间尺度的概念，而且表示了一种新的思考方式，即生产过程越来越精细，以致最后在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造具有特定功能的产品。
纳米科学技术的发展有十分重要的意义。首先它将改观人类传统的生产模式和空间地提高社会生产力，并有可能从根本上解决目前人类所面临的环境污染、生态平衡破坏、原材料与能源消耗等诸多严重问题。同时，纳米科技能够开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上。因而它必然会成为下一个信息时代的核心。
目前，世界各国对纳米科技都相当重视。美国最早成立了纳米科技研究中心，开展了预研究。IBM和德克萨斯仪器公司都是积极参与者。仅在加州大学伯克利分校、圣巴巴拉分校、斯坦福大学、加州理工学院等十多所著名大学、研究机构在重点发展纳米科技研究。日本制定了庞大的国家计划，在日本研究发展合作组织下制定了以开拓纳米技术为核心的研究计划（ETATO），我国在这一领域的研究也已起步。中国科学院、中国真空学会分别召开研讨会讲座我国纳米科技的发展战略。纳米材料的研制已被列为国家重大科研项目，纳米加工和DNA结构的STM研究也已被列为中科院八五重大基础研究项目。
纳米科技虽然刚刚兴起，但STM、AFM等纳米技术产品已初步实现了产业化、美国Digital公司、TopoMatrix公司以及英国VG公司都相继推出了自己的产品。目前一种用于微电子工业实时监控的移动式大范围扫描的STM/AFM即将问世。我国也已有了自己的纳米技术产品。
纳米科技是节能、低耗与技术密集型的高科技。尽管全面实现其产业化尚有很长的路要走，然而发展纳米科技的产投比可能会高于其它高科技项。因此纳米技术可能为我国迎头赶上世界经济提供一个难得的历史机遇。

结束语

著名物理学家泡利曾这样抱怨过："表面是魔鬼发明的"。由于物体表面直接暴露在外界环境中，外界环境与物体表面的相互作用使得物体的表面性质变得极为复杂。这种复杂一直妨碍著人们进行精确的实验探索及理论描述。随着扫描隧道显微镜的发明以及随之而来的整整一系列以类似技术为基础的扫描探针显微镜的问世，笼罩在物体表面的神秘面纱张于被揭开。扫描探针显微镜也因此成为探索物体表面结构的最强有力的工具。
纳米科学技术是基于扫描探针显微镜而发展起来的一门新高科技。它不仅把一个神秘原子、分子世界呈现在人们面前，而且为人们提供了改造这一世界手段。它的发展对科学研究以及工业应用都将带来不可估量的影响。最近几年来在纳米科学技术领域内强有力的实验事实和众多飞速发展的新进展逐渐使人们认识到：一个新技新纪元，纳米科技时代已经来临了。

[ Last edited by mainpro on 2005-12-5 at 11:03 ]

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