原子力显微镜有着可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质,包括形貌进行探测,或者直接进行纳米操纵的特性。而微纳操作技术是在微纳米尺度上制造具有特定功能结构与器件的方法,该技术获得广泛的关注和研究。本文简述原子力显微镜探测物体表面形状的基本原理以及其核心构件的组成与功能。
纳米材料在光、电、磁等方面具有独特的性能,将其制成特定的结构和器件已成为当今研究的热点问题。纳米物体的操作方法是制造纳米器件的关键技术,影响着器件的精度和性能。它通过对微米、亚微米与纳米尺度上的物体进行物理、化学和生物等特性的测量,通过推拉、提取、搬运和放置等方法构造与改变物体形状结构,从而完成微纳机器人、传感器与机电系统的构建。微纳操作技术将对人类社会产生极其重要的影响,例如人造细胞和细胞修复机器人能对不可治愈疾病所造成的坏损细胞进行替代或修复,并能延长人类的寿命。而现有的纳米操作方法中,AFM由于其不受材料限制,并具有原子级分辨能力,因此被看作为一种重要的微加工工具,广泛应用于纳米技术的研究。
纳米加工的方法和机理
利用针尖诱导进行局域氧化
基于AFM针尖电场诱导局域氧化制备纳米结构的工作,以易操作,结构可控,氧化物本身优良的绝缘特性、抗刻蚀性及与现有的微电子工业工艺相容性等优点受众多研究小组重视。
IBM实验室的PhAvouris研究小组首先提出了具有代表性的针尖诱导氧化机理。他们对氧化的条件进行了仔细的研究和观察,使针尖保留在样品的某个位置,然后施加不同幅值的电压脉冲,脉冲高度从-2到20V,脉冲的高度和宽度可以从AFM的图象得到;另外他们还给出了用于动力学研究的氧化点高度和电脉冲宽度的关系。同时观察到即使电脉冲的幅值低于-2V也可以诱导生长氧化点。为了证实氧化过程中离子成分的存在,PhAvouris测量了氧化过程中氧化电流随时间成非线性递减的变化曲线。
纳米刻蚀加工
利用AFM针尖直接在样品表面刻划形成纳米图案和拨动颗粒至指定的地方均属于纳米刻蚀加工技术。此方法需要选用一种特殊针尖,这种针尖尖端是金刚石颗粒,悬臂梁是具有高弹性模量的材料,通常达到20N/m.具体步骤,首先用这种针尖扫描样品的表面,得到样品表面刻划前的形貌,然后调节针尖在表面施加应力(可达到10-6N),此时关掉反馈控制系统,通过控制轴、轴的偏置让针尖在表面划过,材料表面将被划开一条裂纹(约在几十纳米范围),大小与针尖曲率半径有关。
用AFM的针尖诱导进行局域改性
利用导电AFM对样品加电压,在样品表面形成局域大电流密度,从而对材料表面进行局域改性。此方法对表面形貌无影响,因而从形貌上看不出变化,但通过电流相可以看出变化。这种局域改性特点有利于进行信息写入和读出,特别是通过选择材料改进纳米点的写入或擦除,在应用领域有很广阔的前景。
用AFM操纵单分子和原子
利用AFM针尖与样品表面原子相互作用,可以实现直接操纵单原子,从而使制造纳米结构成为可能。20世纪90年代初期,IBM科学家首次展示在低温下用STM进行原子操纵,然后又成功地制造“分子小人”和更具有实际物理意义的人工“量子栅栏”。近年来,科学家更关心的是在室温下操纵更复杂的图案,了解和控制分子与分子10之间,分子与衬底之间的相互作用,同时保证分子扩散势垒小于内部各种化学键的强度。
面向信息产品的AFM的纳米加
目前,如何控制分子取向和调整分子构型,乃至工技术对分子进行“裁剪”和加工,人工控制制造出新的分子是单分子研究中的重大挑战[12]。近年来,科学家取得不少重要成果,已设计出分子齿轮,电子开关,转栅,单电子晶体管,单电子逻辑器,碳纳米管整流器,分子开关,化学分子马达,分子棘轮,及用AFM加工出纳米锁和纳米钥匙等。
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苏州飞时曼精密仪器有限公司成立于2013年,坐落在美丽的苏州高新区科技城,是一家起点高、前瞻性强的研发和制造型高科技企业。公司的核心研究方向为光、机、电、算一体化的微纳米检测设备、先进的医疗仪器。飞时曼作为国内自主品牌、原子力显微镜厂家,其主要产品有:原子力显微镜系列(多模式原子力显微镜 FM-Nanoview1000AFM、一体式原子力显微镜 FM-Nanoview6800AFM、拉曼原子力显微镜一体机 FM-NanoviewRa-AFM、光学原子力显微镜一体机 FM-NanoviewOp-AFM、教学型原子力显微镜 FM-Nanoview T-AFM、教学型扫描隧道显微镜 FM-NanoviewT-STM、工业型原子力显微镜 FM-NanoviewLS-AFM、拉曼光谱仪RM5000、拉曼光谱仪RM8000、拉曼光谱仪RM9000)。2015年,公司获得江苏省高新技术企业认证,拥有自主知识产权30多项,研发的多款产品被评为高新技术产品,并通过CE、ISO9001、SGS认证。