第十章 纳米技术
（5）将STM用于纳米级光刻加工时，它具有极细的光斑直径，可以达原子级，这样可使加工特征和加工工具处于同一尺度。其次是所产生的二次电子对线宽影响很小，并且成本较低，可以在大气甚至在液体介质中工作。美国IBM公司的M.A.McCord等在Si片上均匀覆盖一层后20nm聚甲基丙烯甲脂（PMMA）然后用STM进行光刻，得到30nm宽线条的图案，如图10- 16所示。M.A.McCord等用此方法可得到10nm宽的线条。其后M.A.McCord等又相继研制成功13.5nm厚的Au-Pd合金薄膜电阻。
图10- 16 在Si片上用STM光刻30nm宽线条的图案
（6）1994年美国威斯康星大学的C.T.Salling等报道，在保温条件下对Si(110)231台阶表面用STM原子级修饰，并可制造几何形状规则的原子级超微结构，用同样方法也可制造具有原子级水平的岭脊。同年，伊利偌大学的J.W.Lyding等在超高真空对氢吸附的Si(100)231表面用STM做表面修饰，得到了宽度1nm的线条。针尖置负偏压，针尖发出的电子使下面的氢脱附而露出清洁的Si表面，针尖沿表面扫描就能得到线条状或其他形状的清洁Si表面,线宽10?。
（7）北京真空物理所用扫描隧道显微镜成功地进行单个原子操纵和纳米加工。用超高真空扫描隧道显微镜在国内最先开展了原子操纵和纳米加工的研究，得到了当时国际上最细的线条，线宽10nm，如图10- 17所示。
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第十章 纳米技术
图10- 17 用扫描隧道显微镜在Si(111)表面进行的原子操纵和纳米加工,组成\字样
原子级加工技术正在研究对大分子中的原子搬迁、增加原子、去除原子和原子排列的重组。这无疑可以创造很多按人类需要而制成的新材料。对蛋白质分子的修改将对纳米生物学开拓一个广阔的新天地。
（8） 图10- 18中所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。SPM的适应领域和操作环境非常宽阔，不管样品是在真空中、空气中，还是液体中，也不论是高温、低温条件下，SPM都能出色地完成测量任务。
图10-18 电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图像
（9）图10- 19是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅图放大到一张1m见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。纳米加工技术是利用扫描探针显微镜的方法对样品实施电脉冲或力等手段进行表面修饰的方法。SPM的加工精度要比传统的光刻技术高得多。在当今高科技产业飞速发展的时代，由于各种器件的集成度越来越高，传统的毫微米加工技术已经接近理论的极限，因此，纳米加工技术的出现无疑给人们带来了希望。
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第十章 纳米技术
图10- 19 纳米绘画艺术— 纳米中国
（10） 具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是质量只有钢的1/6；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体，甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。有人设想过碳纳米管的可能用途，例如，做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等。图10-20是由碳纳米管制作的纳米齿轮模型。纳米齿轮上的原子清晰可见。
图10- 20 纳米齿轮
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10.4 纳米测量技术
纳米科学与技术的发展，离不开纳米测量技术。纳米测量技术与纳米材料技术和纳米制造技术构成了纳米科学中的三大核心技术。
10.4.1 纳米测量技术的发展
俄国著名的科学家门捷列夫曾说过一句名言：“没有测量就没有科学”，在纳米科学领域，这一论断显得尤为正确。
1981年，IBM公司苏黎世研究所的罗尔（Heinrich Rohrer）博士与宾尼（Gerd Karl Binnig）博士共同发明了研究纳米科技的重要工具---扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)，揭示了一个可见的原子、分子世界，为纳米科学与技术的发展奠定了必不可少的坚实基础，对纳米科技发展产生了极大的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。
纳米测量技术的发展采取了两条平行的途径：一是在已有的测量手段基础上，通过提高其性能，尽量逼近其极限本领，来满足纳米级测量的需要，如扫描电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）、透射电子显微镜、扫描光声显微镜、轮廓仪（台阶仪）、电感、电容测微仪等；二是发展建立在新概念基础上的测量技术，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，它们统称为扫描探针显微术（SPM）。 相比较而言，建立在新概念基础上的测量技术更有发展前途，且能成为纳米测量的关键技术。这是因为传统的测量手段在测量纳米级尺度的样品时已接近或超过其理论分辨极限，而且采用这类测量仪器时，对样品制备，环境、操作工序等都有十分苛刻的要求，测量成本很高而测量效率却很低，可操纵性较差，而新型的纳米测量技术不仅在垂直和水平方向的分辨率都达到纳米量级，而且对测量环境的要求很低，对被测样品的制备也没有特殊的要求，在测量过程中也不会对被测样品产生损伤，因此是更加具备发展前途的测量技术。下面重点回顾一下这类纳米测量技术的演变过程。 1．扫描探针显微术的发展
1）扫描隧道显微镜
技术的进步总是与工具的进步密切相关的。可以说，纳米技术的诞生主要归功于一种划时代的先进仪器——扫描隧道显微镜的发明。 1981年，IBM公司苏黎世研究所的罗尔和宾尼利用原子之间的隧道电流效应，发明了扫描隧道显微镜。STM不仅具有很高的空间分辨率，能直接观察到物质表面的原子结构，而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意志施加于自然。
STM是第一种在垂直和水平方向都达到原子级分辨率的测量仪器，它的问世，实现了人类长期以来一直追求的直接观察原子、分子真实面貌的愿望，为现代科技在微观领域的突破提供了必要的工具，为纳米技术的兴起创造了条件。宾尼和罗尔也因这一贡献获得1986年度的诺贝尔物理学奖。
正像大多数科学新发现都具有偶然性和必然性一样，扫描隧道显微镜也诞生于偶然性和必然性的神奇结合。20世纪70年代末宾尼和他的导师罗尔在IBM公司设在苏黎世的实验室进行超导实验时，他们并没有把自己有关超导隧道效应的研究与新型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描隧道显微镜奠定了坚实的理论和
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实验基础。一次偶然的机会，他们读到了罗伯特2杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章中有关驱动探针在样品表面扫描的方法使他们突发奇想：为什么不能利用导体的隧道效应来探测物体表面并得到表面的形貌呢？经过师生二人不懈的努力，1981年，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜终于诞生了。
STM的水平分辨率小于0.1nm，垂直分辨率小于0.001nm，在通常情况下，物体固态时原子之间的距离也在零点一到零点几个纳米之间，因此对于一般物体表面结构的辨析，STM的分辨本领已是绰绰有余了。
STM的问世，实现了人类长期以来一直追求的直接观察和操纵原子、分子的愿望。然而，STM还存在着一定的局限性，由于其工作原理是基于隧道效应，因此，STM仅能用于可以产生隧道电流的导体或半导体，同时，STM的观察对象必须是可以非常靠近但又不致破坏其形态的。
为了解决非导电材料表面原子形貌的观测问题，科学家们借鉴STM的方法，发明了许多新型的显微仪器和探测方法，这些显微仪器适用于不同的领域，具有不同的功能。 2）原子力显微镜 1986年，为了解决绝缘体表面的观测问题，扫描隧道显微镜的发明者之一宾尼提出了原子力显微镜(atom force microscope, AFM)的设计思想。如图10-21所示，制造一个对力非常敏感的微悬臂，在其尖端放置一个微小的探针，当探针尖端的原子与样品表面轻微接触时，由于探针尖端的原子与样品表面原子之间产生极其微弱的相互作用力使微悬臂弯曲，将微悬臂的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到探针尖端原子和样品表面原子之间力的微弱变化的信号，并进而得到样品表面的形貌。
图10-21 AFM示意图
原子力显微镜可以综合地给出物质表面的微结构（原子、分子级别）信息，如成分、温度、硬度、表面电势和电容绘图以及对磁、电、黏着、摩擦等信息进行测量和分析，从而加深、拓宽了观测仪器的应用范围。
AFM同样具有原子级的分辨率，由于它既可以观察导体，又可以观察非导体，因此弥补了STM的不足。
原子力显微镜发明以后，又出现了一些以测量探针与样品之间各种作用力来研究表面性质的仪器，例如，以摩擦力为研究对象的摩擦力显微镜、研究磁场性质的磁力显微镜、利用静电力的静电力显微镜等。这些不同功能的显微镜在不同的研究领域发挥着重要的作用，他们统称为扫描力显微镜。
尽管扫描力显微镜的探针与样品表面之间的作用力十分微小，然而在某些应用情况下这种接触力的存在还是不容忽视的。尤其在一些活体生物表面检测中，AFM的应用受到了极大的限制。为了弥补这一不足，科学家们继续努力寻求新型的测量方法。
3）近场光学显微镜
科学界把探针与样品之间距离小于几十纳米的范围称为近场，而大于这一范围的叫做远
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