研究生读书报告---纳米制造之扫描探针显微镜.ppt
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纳米制造之扫描探针显微镜纳米制造之扫描探针显微镜纳米制造之扫描探针显微镜纳米制造之扫描探针显微镜-微观世界的探索微观世界的探索微观世界的探索微观世界的探索组员:
组员:
人高人高2020亿纳米米100100万万纳米米针头红血球血球分子及分子及DNA11千千纳米米11纳米米0.10.1纳米米氢原子原子Earth1.2x107mInGreek,InGreek,“nanonano”meansdwarfmeansdwarf纳米是一个长度计量单位,纳米是一个长度计量单位,11纳米纳米=10=10-9-9米。
米。
什么是纳米什么是纳米(nanometer)(nanometer)?
神奇的神奇的纳米结构纳米结构(nanostructure)(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。
或组装一种新的体系,它包括一维、二维和三维体系。
人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮纳米纳米轨道状轨道状美国军方日前公布了取名为美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士毫微科技战士”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游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战士超级战士”。
美国未来美国未来“超级战士超级战士”可能配备的装备有:
埋可能配备的装备有:
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;由抗生化武器袭击;由“铰合分子铰合分子”制造的比人制造的比人体肌肉强壮体肌肉强壮1010倍的倍的“肌肉肌肉”,这种人造肌肉一,这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里,跳过高墙不在话旦装到手套、制服和军靴里,跳过高墙不在话下。
下。
“纳米科技战士纳米科技战士”未来的美军作战服可能就是这个样子未来的美军作战服可能就是这个样子机器人配备纳米机器人配备纳米“大脑大脑”国外纳米技术进展国外纳米技术进展朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津大学:
纳米镊子纳米镊子碳纳米管碳纳米管“秤秤”,称量一个病毒的重量,称量一个病毒的重量称量单个原子重量的称量单个原子重量的“纳米秤纳米秤”纳米科技的战略地位纳米科技的战略地位纳米科技的战略地位纳米科技的战略地位2121世纪前世纪前2020年,是发展纳米技术的关键时期,纳米技术将成年,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,术已经成为全世界非常关注的技术,纳电子代替微电子,纳纳电子代替微电子,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替微米尺度的生物技术。
只有认识它、发展它,才有可能在。
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未来经济竞争的格局中占据主动。
纳米技术的支撑纳米技术的支撑扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微加工技术p扫扫描描隧隧道道显显微微STMSTM(Scanning(ScanningTunnelingTunnelingMicroscope)Microscope)加加工工技技术术是是纳纳米米加加工工技技术术中中的的最最新新发发展展,可可实实现现原原子子、分分子子的的搬搬迁迁、除除、增增添添和和排排列列重重组组,可可实实现现极极限限的的精精加加工工,原原子级的精加工子级的精加工。
SEM(SEM(扫描显微镜扫描显微镜)AFM(AFM(原子力显微镜原子力显微镜)STM(STM(扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜)扫描显微镜扫描显微镜的发展的发展历程历程社会发展、科技进步总伴随着工具的完善社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。
以显微镜来说,发展至今可以说是和革新。
以显微镜来说,发展至今可以说是有了有了三代显微镜三代显微镜。
这也使得人们对于微观世。
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发展到纳米级乃至原子分辨率。
第一代为光学显微镜第一代为光学显微镜18301830年代后期为年代后期为M.SchleideM.Schleide和和T.SchmannT.Schmann所发明;它使人所发明;它使人类类“看看”到了致病的细菌、到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体,微生物和微米级的微小物体,对社会的发展起了巨大的促对社会的发展起了巨大的促进作用,至今仍是主要的显进作用,至今仍是主要的显微工具。
微工具。
第二代为电子显微镜第二代为电子显微镜2020世纪三十年代早期卢斯卡世纪三十年代早期卢斯卡(E.Ruska)(E.Ruska)发明了电子显微镜,发明了电子显微镜,使人类能使人类能”看看”到病毒等亚微到病毒等亚微米的物体,它与光学显微镜一米的物体,它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。
起成了微电子技术的基本工具。
第三代为扫描探针显微镜第三代为扫描探针显微镜也可简称为纳米显微镜。
也可简称为纳米显微镜。
19811981年比尼格和罗勒发明了扫描隧年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜道显微镜(STM)(STM),使人类实现了,使人类实现了观察单个原子的原望;观察单个原子的原望;19851985年年比尼格应奎特比尼格应奎特(C.F.Quate)(C.F.Quate)发明发明了可适用于非导电样品的原子了可适用于非导电样品的原子力显微镜力显微镜(AFM)(AFM),也具有原子分,也具有原子分辨率,与扫描隧道显微镜一起辨率,与扫描隧道显微镜一起构建了构建了扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)(SPM)系系列。
列。
三种观察原子的方法比较三种观察原子的方法比较TEMXX衍射衍射STM/AFM空间分辨率空间分辨率1-10111(Z:
0.1)样品制备样品制备测量条件测量条件超薄切片真空超薄切片真空结晶样品结晶样品mgmg级量级量近自然、液体近自然、液体g-ngg-ng结构信息结构信息22维维平均结构参数平均结构参数三维内部结构三维内部结构单个分子结构、单个分子结构、局域结构、局域结构、表面三维结构表面三维结构图像图像直观直观拟合、重构拟合、重构真实、直观真实、直观三代显微镜的观察范围及典型物体三代显微镜的观察范围及典型物体扫描隧道电子显微镜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扫描隧道电子显微镜(隧道电子显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,STMScanningTunnelingMicroscope,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。
扫描探针显微镜发展与展望扫描探针显微镜发展与展望目前,目前,STSTMM/AFM/AFM已不仅仅限于观察原子排列了,而已深深渗入微电子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、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技技术、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。
尤其是用术和纳米技术等各种尖端科学领域。
尤其是用SSTTMM/AFM/AFM来操纵单原子、来操纵单原子、单分子技术,将使人类从目前的微单分子技术,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,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,从而导致相关学科高速发展。
在信息科学上,STSTMM/AFM/AFM使信息存储量大使信息存储量大幅度提高;在生命科学中,幅度提高;在生命科学中,STSTMM完成物种再造;在材料科学中,完成物种再造;在材料科学中,STSTMM/AFM/AFM创造新原子结构材料,并可实现纳米机械加工设备。
可以说创造新原子结构材料,并可实现纳米机械加工设备。
可以说SSTTMM/AFM/AFM在在微电微电子学、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。
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,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。
随着所以有待于进一步的开发和研究。
随着SSTTMM/AFM/AFM技术的发展,可以根据技术的发展,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,用户的需要开展新的领域探索:
如除了形貌成像外,SSTTMM/AFM/AFM希望还能希望还能探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力。
19901990年,美国加州的年,美国加州的IBMIBM研究室研究室D.M.EiglerD.M.Eigler等等人利用人利用SSTMTM在在4K4K和超真空环境中,在和超真空环境中,在NiNi的表面的表面上将上将3535个氙原子排布成最小的个氙原子排布成最小的IBMIBM商标。
这张商标。
这张放大了的照片登在放大了的照片登在时代时代周刊上,被称为当周刊上,被称为当年最了不起的公司广告。
年最了不起的公司广告。
在在XeXe原子搬迁后,又原子搬迁后,又实现了分子的搬迁排实现了分子的搬迁排列。
在铂单晶的表面列。
在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化上、将吸附的一氧化碳分子碳分子(CO)(CO)用用STMSTM搬迁搬迁排列起来、构成一个排列起来、构成一个身高仅身高仅5nm5nm的世界上最的世界上最小的人的图样。
小的人的图样。
用来用来构成这图样的构成这图样的COCO分子分子间距离仅为间距离仅为0.5nm,0.5nm,人人们称它为们称它为一氧化碳一氧化碳小人小人。
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48484848个个个个FeFeFeFe原子,原子,原子,原子,使它们排成圆形。
使它们排成圆形。
使它们排成圆形。
使它们排成圆形。
圆形上原子的某些电子向外传播,逐渐减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。
小,同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。
扫描隧道显微镜(扫描隧道显微镜(STMSTM)是如何工作的?
)是如何工作的?
工作原理工作原理量子力学的隧道效应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Z1nmITVe-K0ZZ:
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通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离STMSTM探针探针形状测量形状测量和校正;和校正;STMSTM最佳最佳化应用及化应用及不确定性不确定性评估;评估;标准物质标准物质的备;的备;仪器性能仪器性能的标准化;的标准化;数值分析数值分析的标准化;的标准化;制样指南制样指南和标准制和标准制定定。
STSTMM进行纳米测量还有一些问题有待解决进行纳米测量还有一些问题有待解决1985985年,
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