第五章 扫描探针加工技术
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扫描探针显微技术(SPM)
虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布， 对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并 结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来， 综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。
STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、 高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面 化学研究十分便利。 例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面 催化、电化学腐蚀等。 在Si(001)表面上 SiH3→SiH2（吸附）+H（吸附）
iii 光学检测法 光学检测法中常用干涉法和光束偏转法两种。光 学干涉法的原理类似于迈克尔逊干涉仪，用两束 正交的偏振光，分别探测微悬臂的固定端和针尖， 经过微悬臂反射后，两束光发生干涉，干涉光相 位移动的大小与微悬臂形变量△Z有关。在扫描 过程中，通过反馈电路调整相位移恒定，就可以 得到表面形貌图像，分辩率在z方向为0.001nm。
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描探针显微镜的特点
相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较
分辨率 扫描探 针显微 镜 透射电 镜 工作环境 样品环境 实环境、大 气、溶液、 真空 温度 室温或低 温 对样品 破坏程度 无 检测深度
原子级(0.1nm) 点分辨 (0.3~0.5nm) 晶格分辨 (0.1~0.2nm)
金属中的自由电子具有波动性，当电子波（ψ） 向表面传播遇到边界时，一部分被反射（ψR）， 而另一部分则可透过边界（ψT），从而在其表面 形成电子云，电子云的密度随距表面的距离成指 数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可 以相互渗透，即金属1的透射波ψT1与金属2的透 射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一 现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电 流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的 量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加 电压，则电子定向流动，形成隧道电流。
扫描探针显微技术及其应用
扫描探针显微技术及其应用贺爽博【摘要】当今纳米科技时代,显微技术越来越成为一项不可或缺的研究手段.本文全面介绍了目前具有广泛应用的扫描探针显微技术,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜,以及导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等专用功能型的扫描探针显微技术.本文介绍了这些扫描探针显微技术的工作原理,并比较了它们在应用上的优缺点.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2017(000)020【总页数】2页(P145,147)【关键词】扫描探针显微技术;扫描隧道显微镜;原子力显微镜;发展综述【作者】贺爽博【作者单位】湖南师范大学附属中学【正文语种】中文在新物理的探索、电子器件微型化等因素的驱动下，物理、化学、材料等学科的研究早已进入到了微观（纳米）领域。
在纳米科技时代，人们已经发现了更多有趣的物理现象、更多性能优越的新型材料，也开发了更多新型器件的应用。
而这一切都离不开微观尺度表征手段的发展。
显微技术是纳米科技领域不可或缺的一种表征手段，它可以被用于观察纳米材料的表面形貌、内部结构，也可以被用来测量材料在纳米尺度的物理特性。
传统的光学显微镜由于阿贝极限的存在，很难用于观察纳米材料。
从上世纪30年代逐渐发展起来的电子显微镜，虽然具有很高的分辨率和比较完善的测试功能，但是它具有仪器庞大、昂贵，运行、维护成本高，高真空要求，样品准备工艺复杂，测试效率低等缺点。
相比之下，于上世纪80年代迅速发展起来的扫描探针显微技术，具有结构简单、易于操作、测试效率高等优势，因此，自其发明以来，就得到了广泛的关注和应用。
目前，人们已发明了诸多类型的扫描探针显微镜，包括主要用于表面材料的表面形貌和原子/分子结构的扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及针对具体物理性质测量功能而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等。
[1-3] 本文综述了几种常见的扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及基于原子力显微镜而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜。
扫描探针显微镜经典原理介绍和相关方法
iii
following should be considered as an attempt to mention the most important preliminary approaches on the one hand and to provide links to at least some of the many interesting and striking applications on the other hand. Saarbrücken, July 1997 U. Hartmann
iv
1.
Introduction
It is certainly not necessary to emphasize the enormous importance of microscopic imaging in the natural sciences, in medicine, and in various engineering disciplines. In the past decades this importance has been recognized repeatedly by the awarding of Nobel prices to the inventors of a number of new and improved approaches in the field of microscopy. Today a strong driving force for further developments results from the increasing demand related to key technologies. One of the key technologies is certainly microelectronics where, as a consequence of the decreasing scale of many devices, high-resolution characterization methods have become of fundamental importance for further development in this area. Another discipline, where progress is directly related to the availability of powerful microscopy methods, is certainly the development of new and functional materials. The latter strongly relies on the characterization of materials at various and increasing levels of resolution. Structure, microstructure, and defect geometry, as well as chemical composition and spatial distribution are important parameters determining the behavior of materials and practical applications. In order to qualify a certain approach as microscopy, the method should give spatially localized information on the microstructure and it should have the potential to provide a magnified real-space image of the sample (Amelincks et al., 1997). A today's materials scientist, e. g., has a large number of such methods at his disposal. This is necessary because complete characterization of the given material requires the application of different and complementary characterization methods, then yielding in combination the numerous relevant parameters. In 1980/81 G. Binnig, H. Rohrer, and coworkers from the IBM Zürich Research Laboratories invented a new type of microscope (Binnig et al., 1982) which they called the Scanning Tunneling Microscope (STM). The instrument, which proved capable of imaging solid surfaces with atomic resolution, has revolutionized microscopy and surface analysis in an unprecedented way over the past 15 years. When looking back it is evident that the outstanding success of STM is not only due to the ultrahigh resolution which can be achieved by this technique. Equally important, if not more, is that STM stimulated the development of a whole family of Scanning Probe Methods (SPM) which are all based on instrumental principles very similar to that of the STM. The most popular offsprings are Atomic Force Microscopy (AFM)
第五章 纳米电子学
2.电子器件、电路、系统设计
纳米结构 量子阱 量子线
物理效应 共振隧穿效应 高迁移率一维电子气
应用 谐振晶体管、电路和系统 超高速逻辑开关、电路和系统
量子点 量子点接触
可集蓄电子原理
极大容量存贮器
库仑阻塞效应、单电子 单电子晶体管、电路和系统(包 振荡和单电子隧穿效应 含单电子开关和单电子存贮器)
扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及 特种超微细加工技术
3.4.1 三束光刻加工技术
1、光学光刻技术
光学光刻是IC产业半导体加工的主流技术。通过光 学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结 构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。
减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。 光刻蚀使用240nm的深紫外光波，能否突破100nm成 为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。
1、RT>RK; 2、e2/2C>> KBT。
➢ 1、RT>RK的物理意义：当一个隧道结两端施以偏压U
时，电子的隧穿几率Γ＝U/(eR)，那么两次隧穿事件的时间 间隔为1/Γ=eR/U，而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的 周期为h/(eU)。因此，必须满足eR/U＞＞h/eU，即R ＞＞h/e2。 这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子是一个一 个地隧穿。
光刻技术——X射线刻蚀、电子束刻蚀、软X射线刻蚀、
聚焦离子束刻蚀等
微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细
加工技术
第二节 纳米电子器件的分类
2.1纳米器件与纳米电子器件
2、纳米电子器件
➢纳米电子器件满足两个条件——
1、器件的工作原理基于量子效应； 2、都具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛” （或势阱）的结构。
扫描探针显微技术
➢ 量子
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理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
隧道效应是波动性旳成果： U(x)
入射波+反射波U0
透射波
0a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度旳物理下限…
9
2. STM工作原理：
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
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理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 扫描近场光学显微镜 SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy)
• 扫描近场声学显微镜 SNAM (Scanning Near-field Acoustical Microscopy)
• 热电势显微镜 STHM (Scanning Thermal Microscopy )
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理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
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理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM) 3. 怎样拾取隧道电流？= 为何1982年才发明？
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理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
具有两维扫描功能旳电流表
1. 隧道电流小(pA-nA)，隧穿电阻大(M-G) 2. 探针-样品距离小1nm 3. 良好旳机械振动和声音隔绝系统 4. 热漂移小 5. 电子学噪音小
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 公以为20世纪80年代十大科技成就之一。 • 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
6
理学院 物理系 陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
1. STM中旳物理原理：量子隧道效应
扫描探针加工和自组装技术相结合的研究进展——表面图形可控的功能纳米结构的制备
维普资讯
第２ ９卷 第 ４期
２ ０ 年 Ｏ 月 ０７ ７
武
汉
工
程
大
学
学
报
Ｖｏ． Ｎｏ １ ２９ ．４
Ｊ Ｗ ｕ ａ Ｉ ｓ． Ｔｅ ｈ ． ｈｎ ｎｔ ｃ．
Ｊ １ ２ ０ ｕ． ０７
文章 编号 ：０ ４ ７ ６ ２ ０ ） ４ ０ １ ４ １ ０ —４ ３ （０ ７ ０ —０ ０ 一Ｏ
针 尖 在 经过 样 品表 面 时 ， 面 上 的原 子或 分 子 就 表 会 被 推开 ， 而在 样 品 的 表 面上 留 下 纳米 级 的 划 从 痕 ． 如美 国 Ｌｕ研 究 小 组 ［在 研 究 硫 醇 自组装 例 ｉ ３ ］
领 域 （ 分 子组 装 、 如 纳米 粒 子 组 装 等） 进行 简单 的
第 一类 利用 原 子 力显 微 镜 的针 尖 和样 品之 间
分 子 、 子 和 纳 米 粒 子 进 行 可 控 操 作 ［．目前 的相 互 作 用 力 ， 样 品 的表 面 刮擦 来 进 行 纳米 加 原 】 ］ 在 其 当 Ｓ Ｍ 已经 是 表面 科学 、 Ｐ 纳米 科 技 和 介 观物 理 以及 工 ， 原 理相 当于 原子 力 显微 镜 成像 工 作原 理． 生 物化学 和 医学 等研究 领 域 中不可 或 缺 的一 种手 恰 当 的作 用 力 作 用 于 ＡＦ 的针 尖 上 （ 尖 的直 Ｍ 针
扫描探针 加工和 自组装技术相 结合 的研 究进 展
— —
表 面 图形 可 控 的功 能 纳米 结 构 的制 备
刘善堂
（ 武汉 工程 大 学化 工与制 药 学 院 ， 北省 新型反 应 器 与绿 色化 学 工艺 重点 实验 室 ， 北 武汉 ４ ０ ７ ） 湖 湖 ３ ０ ４
第２ ９卷 第 ４期
２ ０ 年 Ｏ 月 ０７ ７
武
汉
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程
大
学
学
报
Ｖｏ． Ｎｏ １ ２９ ．４
Ｊ Ｗ ｕ ａ Ｉ ｓ． Ｔｅ ｈ ． ｈｎ ｎｔ ｃ．
Ｊ １ ２ ０ ｕ． ０７
文章 编号 ：０ ４ ７ ６ ２ ０ ） ４ ０ １ ４ １ ０ —４ ３ （０ ７ ０ —０ ０ 一Ｏ
针 尖 在 经过 样 品表 面 时 ， 面 上 的原 子或 分 子 就 表 会 被 推开 ， 而在 样 品 的 表 面上 留 下 纳米 级 的 划 从 痕 ． 如美 国 Ｌｕ研 究 小 组 ［在 研 究 硫 醇 自组装 例 ｉ ３ ］
领 域 （ 分 子组 装 、 如 纳米 粒 子 组 装 等） 进行 简单 的
第 一类 利用 原 子 力显 微 镜 的针 尖 和样 品之 间
分 子 、 子 和 纳 米 粒 子 进 行 可 控 操 作 ［．目前 的相 互 作 用 力 ， 样 品 的表 面 刮擦 来 进 行 纳米 加 原 】 ］ 在 其 当 Ｓ Ｍ 已经 是 表面 科学 、 Ｐ 纳米 科 技 和 介 观物 理 以及 工 ， 原 理相 当于 原子 力 显微 镜 成像 工 作原 理． 生 物化学 和 医学 等研究 领 域 中不可 或 缺 的一 种手 恰 当 的作 用 力 作 用 于 ＡＦ 的针 尖 上 （ 尖 的直 Ｍ 针
扫描探针 加工和 自组装技术相 结合 的研 究进 展
— —
表 面 图形 可 控 的功 能 纳米 结 构 的制 备
刘善堂
（ 武汉 工程 大 学化 工与制 药 学 院 ， 北省 新型反 应 器 与绿 色化 学 工艺 重点 实验 室 ， 北 武汉 ４ ０ ７ ） 湖 湖 ３ ０ ４
扫描探针显微技术
实现了单原子和单分子操纵
• 利用 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸 针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸 引或排斥作用， 引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向 移动，具体又可分为“牵引” 滑动” 移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推 动”三种方式 • 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上， 后移动到新的位置， 后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面 • 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏 通过外加一电场，改变分子的形状， 它的化学键
显微镜的发展历史
• 光学显微镜 • 电子显微镜 • 扫描探针显微镜
• 一般的光学显微镜的分辨率为250nm 一般的光学显微镜的分辨率为 • 扫描电子显微镜（横向分辨率3－5nm）不能 扫描电子显微镜（横向分辨率 － ） 用来直接观察分子和原子。 用来直接观察分子和原子。 • 扫描探针技术（STM横向 －0.2 nm，纵向 扫描探针技术（ 横向0.1－ 横向 ， 0.01nm）,可以直接观察分子、原子。 可以直接观察分子、 ） 可以直接观察分子 原子。 • 扫描探针技术（SPM）实际上一类显微术的总 扫描探针技术（ ） 称，都是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来 的 • 其中最常用的有扫描隧道显微镜（STM）和原 其中最常用的有扫描隧道显微镜（ ） 子力显微镜（ ），这两种方法互为补充 子力显微镜（AFM），这两种方法互为补充。 ），这两种方法互为补充。
• 振动隔离系统 STM图像的典型起伏幅度约为 图像的典型起伏幅度约为0.01nm， 图像的典型起伏幅度约为 ， 所以外来振动的干扰必须降低到0.001nm 所以外来振动的干扰必须降低到 一下。 一下。振动隔离系统就是设计一个专门的 装置使传递到STM仪器的振动减弱至不影 装置使传递到 仪器的振动减弱至不影 响测量精度。 响测量精度。 • 数据处理与显示系统 STM的数据处理由专用的数据处理与控 的数据处理由专用的数据处理与控 制软件来完成， 制软件来完成，扫描结果会直接的显示在 计算机屏幕上。 计算机屏幕上。
《微纳制造技术》教学大纲
《微纳制造技术》教学大纲课程代码：NANA2027课程名称：微纳制造技术英文名称：Nanofabrication课程性质：专业教学课程学分/学时： 2分/36时考核方式：闭卷考试、课堂报告、课后作业开课学期： 5适用专业：纳米材料与技术先修课程：半导体器件物理后续课程：新能源材料与技术、纳米材料表征技术选用教材：唐天同，《微纳加工科学原理》，电子工业出版社，2010年一、课程目标通过本课程的理论教学与课后作业，使学生具备以下能力：熟悉微纳制造常用的工艺及方法，了解其应用场景及对比不同方法之间优缺点；可以运用公式计算解决材料选择、加工参数相关问题；对新兴微纳制造技术及未来发展趋势有一定了解。
（支撑毕业要求1-2）了解微纳制造工艺的基本概念、方法、理论、加工设备的发展演变过程和发展趋势，并结合微纳制造工艺在集成电路、纳米传感、光电子等器件领域应用，对微纳制造这一前沿研究领域有初步认识，建立相关领域的知识储备结构，并能在今后的工作中加以结合与应用。
（支撑毕业要求2-2）二、教学内容第一章绪论（支撑毕业要求1-2）课时：1周，共2课时教学内容：一、微电子的发展历史二、集成电路基本工艺流程三、纳米制造的发展要求学生：了解微电子工业以及微纳制造技术的发展历史，认识当前集成电路加工的主要流程和工艺。
第二章微电子与光电子集成技术中使用的材料（支撑毕业要求1-2，2-2）课时：2周，共4课时教学内容第一节晶体结构与性质一、晶体的几何结构二、晶体的电学性质三、晶体的光学性质第二节半导体材料一、元素半导体二、I II-V族半导体三、I I-VI族半导体四、I V-IV族化合物半导体第三节纳米结构与材料一、半导体超晶格结构二、量子阱、量子线和量子点要求学生：对晶体材料的几何结构、能带结构和电学性质基础认知；了解硅与几种典型半导体材料的特点和用途；了解新型一维、二维材料的结构特点以及用途。
第三章光刻（支撑毕业要求1-2，2-2）课时：2周，共4课时教学内容第一节光学光刻一、接触式和接近式曝光光刻二、投射式光刻三、先进光刻技术和其他改进分辨率的方法第二节光刻胶一、光刻胶类型三、涂敷和显影工艺三、光刻胶的化学放大和对比度增强技术第三节 X射线曝光技术一、X射线曝光原理二、X射线曝光技术应用要求学生：了解光刻技术的种类；学会改进分辨率的方法及相关参数计算；熟悉光刻工艺的具体步骤；认识新型光刻设备的优点及其应用；掌握使用软件绘制简单的光刻掩膜版的能力。
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真空度：STM以来于隧道电流成像要求真空度高， AFM可在大区别： 固体探针变成扫描光源 扫描光源是有极细尖端的玻璃
或石英光学纤维 光纤探针的外壁沉积一层金属
防止光波泄露 探针开口处形成一个极细光点 即光探针，光探针照射样品的 反射光由光子探测器接受，获得 样品的表面光学像。
STM 应用
QUANTUM MIRAGE (量子幻影)
Nature, Feb. 2000
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）
1985年，IBM公司的 Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原 子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可 以用来测量任何样品 的表面。
扫描探针显微镜的产生：1982年
公认为20世纪80年代十大科技成就之一。 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
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扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜（AFM） 近场扫描光学显微境
（SNOM） 弹道电子发射显微镜
（BEEM） 扫描力显微镜（SFM）
原子力显微镜的构造
控制器
激光头 扫描管
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
CCD Camera
防震台
AFM 应用
纳米结构加工
用AFM技术能搬运分子、原子，构建纳米结构器件， 可以用AFM在某些金属表形成纳米级的点阵，以实 现超密度信息存储等等。
STM和AFM的区别
对样品要求：STM要求样品是导体或半导体，AFM 也可用于非导体
STM成像电压要高，十几伏或几十伏电压
STM曝光
STM曝光的特点
1）要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过50nm 2）STM探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统
电子束曝光系统有透镜聚焦系统 3）STM曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大
传统电子束与STM曝光计量比较
相同曝光线宽STM曝光需要的曝光剂量更多
激光检测AFM基本原理图
接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样
品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的 变形进行测量。
该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨 率高，但成像时针尖对样品的作用力较大， 适合表面结构稳定的样品。
轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针
对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬 臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品 的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行 “敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克 服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向 力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品 的检测。
激光检测法 二极管激光器发出的激光束经
过光学系统聚焦在微悬臂背面，并 从微悬臂背面反射到由光电二极管 构成的光斑位置检测器。在样品扫 描时，由于样品表面的原子与微悬 臂探针尖端的原子间的相互作用力， 微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起 伏，反射光束也将随之偏移，因而， 通过光电二极管检测光斑位置的变 化，就能获得被测样品表面形貌的 信息。目前的AFM都是采用这种检 测模式。
电场 如样品是涂覆抗蚀剂的平面材料，电子即可以导致抗
蚀剂曝光，机理类似低能电子束曝光 AFM以STM方式工作时，也可以实现抗蚀剂的曝光
STM曝光
STM曝光最早报道于20世纪80年代 获得22nm宽的曝光线条，用金属溶脱工艺形成相
应的金属线条图形 STM做电子束曝光时，在恒电流模式，但电压比
原子力显微镜基本原理
AFM是利用原子之间的范德华力 （Van Der Waals Force）作用来呈 现样品的表面特性。
两个原子之间的作用力与他们之间距 离有关
原子力显微镜就是利用原子之间微妙 的关系来把原子样子给呈现出来。
σ：原子的直径 r ： 原子之间的距离
原子力显微镜基本原理
获得样品表面形貌是通过检测微悬 梁位置的变化而实现的。
检测微悬梁位置变化的主要有： 隧道电流法和激光检测法。
AFM探针的针尖
原子力显微镜基本原理
检测器能精确检测 到反射激光光斑上 下左右的移动。
此信息经反馈系统 转化为控制压电扫 描器的电压信号。 样品表面每一点上 压电扫描器的起伏 信息被计算机记录, 经信号转换处理后 获得样品图象。
隧道电流法： 基于STM原理实现的。将微悬梁
看成样品，在微悬梁上还有一微小 探针接触。微悬梁和探针间施、加 一偏置电压，他们之间便产生了隧 道电流。当微悬梁因为和样品间的 原子间力的作用而位置发生改变， 那么他和探针之间的位置也发生相 应的变化，导致隧道电流发生指数 级的变化，那么测量原理就变成了 STM的测量原理了。
理
11
经典物理学: 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。
量子力学: 即使粒子能量小于阈值，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。就像在山坡上开 一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确 定性在微观上往往就具有不确定性。
STM 应用
材料表面结构特征研究
槽宽=253.4nm 槽深=35.294nm 条宽=154.2nm
STM 材料表面结构相变研究 应用
两个Si原子的二聚体结构 单原子缺陷
具有加热功能的STM研究Si结构相变
结构发生变化
STM 应用
QUANTUM CORRAL (量子栅拦)
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
烷硫醇分子在金表面的自组装 NSOM曝光可以在烷硫醇分子层上形成小于光探针孔径
的图形
SNOM图像： 玻璃表面 单层聚苯乙烯纳米球 （200nm）
SNOM加工：20nm的线 条图形
5.4 局部加工氧化
局部加工氧化
硅在空气中表面几个原子层厚的二氧化硅层，即氧化层 氢氟酸可以去除氧化层，留下一个单原子层氢原子即氢钝化 探针高电场下，108Vcm-1 水分子与氢原子反应使硅表面氧化 探针在表面扫描 氧化硅图形形成 可作刻蚀掩模
电子显微镜
透射
电子
显微 镜
场电
子显 微镜
场离
子显 微镜
电子 探针
低能
电子 衍射
光电
子能 谱
扫描
电子
显微 镜
扫描探针显微镜的产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
扫描电子显微镜
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期性结构
用于薄层样品的体相和界面研究 不足分辨出表面原子 只能提供空间平均的电子结构信息
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限 于表面边界之内。即，电子密度并不在表面边界突 然降为零
如果探针和待测样品互相靠得很近，那么，它们表 面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加 一微小电压Vt，那就可以观察到它们之间的电流 Jt(隧道电流）
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的 依赖关系
NSOM曝光
3种不同的探针结构
金属沉积层： 防止光泄露 孔径大
无金属沉积层 光泄露 孔径小
金属针尖 激光侧面照射 孔径小 40nm
NSOM曝光应用
适合对一些自组装单层膜(Self-assembled monolayer, SAM)的曝光
有些分子能够根据与衬底材料表面的亲和势而自动组 装形成紧密排列的单分子层
STM曝光
STM通过场致发射电子对抗蚀剂曝光 场致发射电流密度与电场强度有关 发射阀值电场强度 2×107Vcm-1 只有大于这个阀值 才能够发射电子 一旦发射，电流随 电场强度迅速增加
STM曝光
较低电压下，获得发射体表面高电场强度有两个办法 一是采用非常尖细的发射体 二是将发射体尽量靠近阳极电极 STM的结构和工作方式能够满足这两个条件 STM探针半径一般几纳米或几十纳米 STM探针与样品表面距离不超过10纳米 探针与样品间十几伏的电压即产生2×107Vcm-1以上
只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a
扫描探针显微镜的原理
隧道效应是波动性的结果：
量子力学 U(x) 微观粒子行为，具有波动性，粒子性
U0 入射波+反射波
透射波
0
a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度的物理下限…
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扫描探针显微镜的原理
量子隧道效应
➢ 经典
➢ 量子
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电子围绕原子核转一周大约需要150阿秒的时间(1阿 秒=10-18 秒)
扫描探针显微镜 （SPM）
什么是扫描隧道显微镜
Scanning Tunnelling Microscope，扫描隧道显微镜
STM能干什么？ 空间高分辨率: 横向0.1nm，纵向<0.01nm， 直接观察物质表面原子结构，进入微观世界。
STM怎么工作的？
量子隧道效应 + 精密机电控制 + 微弱信号处
4HF + SiO2 = SiF4 (气体）+ 2H2O 2HF + SiF4 = H2[SiF6]
局部加工氧化
或石英光学纤维 光纤探针的外壁沉积一层金属
防止光波泄露 探针开口处形成一个极细光点 即光探针，光探针照射样品的 反射光由光子探测器接受，获得 样品的表面光学像。
STM 应用
QUANTUM MIRAGE (量子幻影)
Nature, Feb. 2000
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）
1985年，IBM公司的 Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原 子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可 以用来测量任何样品 的表面。
扫描探针显微镜的产生：1982年
公认为20世纪80年代十大科技成就之一。 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
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扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜（AFM） 近场扫描光学显微境
（SNOM） 弹道电子发射显微镜
（BEEM） 扫描力显微镜（SFM）
原子力显微镜的构造
控制器
激光头 扫描管
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
CCD Camera
防震台
AFM 应用
纳米结构加工
用AFM技术能搬运分子、原子，构建纳米结构器件， 可以用AFM在某些金属表形成纳米级的点阵，以实 现超密度信息存储等等。
STM和AFM的区别
对样品要求：STM要求样品是导体或半导体，AFM 也可用于非导体
STM成像电压要高，十几伏或几十伏电压
STM曝光
STM曝光的特点
1）要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过50nm 2）STM探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统
电子束曝光系统有透镜聚焦系统 3）STM曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大
传统电子束与STM曝光计量比较
相同曝光线宽STM曝光需要的曝光剂量更多
激光检测AFM基本原理图
接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样
品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的 变形进行测量。
该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨 率高，但成像时针尖对样品的作用力较大， 适合表面结构稳定的样品。
轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针
对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬 臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品 的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行 “敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克 服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向 力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品 的检测。
激光检测法 二极管激光器发出的激光束经
过光学系统聚焦在微悬臂背面，并 从微悬臂背面反射到由光电二极管 构成的光斑位置检测器。在样品扫 描时，由于样品表面的原子与微悬 臂探针尖端的原子间的相互作用力， 微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起 伏，反射光束也将随之偏移，因而， 通过光电二极管检测光斑位置的变 化，就能获得被测样品表面形貌的 信息。目前的AFM都是采用这种检 测模式。
电场 如样品是涂覆抗蚀剂的平面材料，电子即可以导致抗
蚀剂曝光，机理类似低能电子束曝光 AFM以STM方式工作时，也可以实现抗蚀剂的曝光
STM曝光
STM曝光最早报道于20世纪80年代 获得22nm宽的曝光线条，用金属溶脱工艺形成相
应的金属线条图形 STM做电子束曝光时，在恒电流模式，但电压比
原子力显微镜基本原理
AFM是利用原子之间的范德华力 （Van Der Waals Force）作用来呈 现样品的表面特性。
两个原子之间的作用力与他们之间距 离有关
原子力显微镜就是利用原子之间微妙 的关系来把原子样子给呈现出来。
σ：原子的直径 r ： 原子之间的距离
原子力显微镜基本原理
获得样品表面形貌是通过检测微悬 梁位置的变化而实现的。
检测微悬梁位置变化的主要有： 隧道电流法和激光检测法。
AFM探针的针尖
原子力显微镜基本原理
检测器能精确检测 到反射激光光斑上 下左右的移动。
此信息经反馈系统 转化为控制压电扫 描器的电压信号。 样品表面每一点上 压电扫描器的起伏 信息被计算机记录, 经信号转换处理后 获得样品图象。
隧道电流法： 基于STM原理实现的。将微悬梁
看成样品，在微悬梁上还有一微小 探针接触。微悬梁和探针间施、加 一偏置电压，他们之间便产生了隧 道电流。当微悬梁因为和样品间的 原子间力的作用而位置发生改变， 那么他和探针之间的位置也发生相 应的变化，导致隧道电流发生指数 级的变化，那么测量原理就变成了 STM的测量原理了。
理
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经典物理学: 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。
量子力学: 即使粒子能量小于阈值，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。就像在山坡上开 一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确 定性在微观上往往就具有不确定性。
STM 应用
材料表面结构特征研究
槽宽=253.4nm 槽深=35.294nm 条宽=154.2nm
STM 材料表面结构相变研究 应用
两个Si原子的二聚体结构 单原子缺陷
具有加热功能的STM研究Si结构相变
结构发生变化
STM 应用
QUANTUM CORRAL (量子栅拦)
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
烷硫醇分子在金表面的自组装 NSOM曝光可以在烷硫醇分子层上形成小于光探针孔径
的图形
SNOM图像： 玻璃表面 单层聚苯乙烯纳米球 （200nm）
SNOM加工：20nm的线 条图形
5.4 局部加工氧化
局部加工氧化
硅在空气中表面几个原子层厚的二氧化硅层，即氧化层 氢氟酸可以去除氧化层，留下一个单原子层氢原子即氢钝化 探针高电场下，108Vcm-1 水分子与氢原子反应使硅表面氧化 探针在表面扫描 氧化硅图形形成 可作刻蚀掩模
电子显微镜
透射
电子
显微 镜
场电
子显 微镜
场离
子显 微镜
电子 探针
低能
电子 衍射
光电
子能 谱
扫描
电子
显微 镜
扫描探针显微镜的产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
扫描电子显微镜
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期性结构
用于薄层样品的体相和界面研究 不足分辨出表面原子 只能提供空间平均的电子结构信息
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限 于表面边界之内。即，电子密度并不在表面边界突 然降为零
如果探针和待测样品互相靠得很近，那么，它们表 面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加 一微小电压Vt，那就可以观察到它们之间的电流 Jt(隧道电流）
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的 依赖关系
NSOM曝光
3种不同的探针结构
金属沉积层： 防止光泄露 孔径大
无金属沉积层 光泄露 孔径小
金属针尖 激光侧面照射 孔径小 40nm
NSOM曝光应用
适合对一些自组装单层膜(Self-assembled monolayer, SAM)的曝光
有些分子能够根据与衬底材料表面的亲和势而自动组 装形成紧密排列的单分子层
STM曝光
STM通过场致发射电子对抗蚀剂曝光 场致发射电流密度与电场强度有关 发射阀值电场强度 2×107Vcm-1 只有大于这个阀值 才能够发射电子 一旦发射，电流随 电场强度迅速增加
STM曝光
较低电压下，获得发射体表面高电场强度有两个办法 一是采用非常尖细的发射体 二是将发射体尽量靠近阳极电极 STM的结构和工作方式能够满足这两个条件 STM探针半径一般几纳米或几十纳米 STM探针与样品表面距离不超过10纳米 探针与样品间十几伏的电压即产生2×107Vcm-1以上
只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a
扫描探针显微镜的原理
隧道效应是波动性的结果：
量子力学 U(x) 微观粒子行为，具有波动性，粒子性
U0 入射波+反射波
透射波
0
a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度的物理下限…
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扫描探针显微镜的原理
量子隧道效应
➢ 经典
➢ 量子
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电子围绕原子核转一周大约需要150阿秒的时间(1阿 秒=10-18 秒)
扫描探针显微镜 （SPM）
什么是扫描隧道显微镜
Scanning Tunnelling Microscope，扫描隧道显微镜
STM能干什么？ 空间高分辨率: 横向0.1nm，纵向<0.01nm， 直接观察物质表面原子结构，进入微观世界。
STM怎么工作的？
量子隧道效应 + 精密机电控制 + 微弱信号处
4HF + SiO2 = SiF4 (气体）+ 2H2O 2HF + SiF4 = H2[SiF6]
局部加工氧化