通常只能用于较大的纳米点(nanodot)的放置，适用于异 质原子人工结构的加工。如把Au或Pt针尖上的原子放置 到Si原子表面来加工纳米尺度的点或线结构。
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(2) 蘸水笔法：所放置的原子不是来源于STM针尖的
材料而是先用针尖从样品上的某处提取一些原子，然后再 将这些吸附在针尖上的原子一个一个地放置到所需的特定 的位置上去。这种方式适用于加工同类单原子结构，如在 Si表面加工Si原子结构。
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“中国”
1994 年 中 科 院 北 京 真空物理实验室在Si（111） 77表面利用STM针尖加 电脉冲移走Si原子形成沟 槽，写出了“中国”、 “100”等字的图形结构， 如图7-10所示。该项原子 操纵技术被我国两院院士 评为1994年十大科技进展 之一。由于这些字的比划 不是沿着Si（111）77晶 胞的基矢方向，因此边界 较为粗糙。
尖和表面间距离的减小，在相同偏置电压的条件下不仅
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使针尖和样品表面间的隧道电流大大增大(可以增大1-2
数量级)，同时针尖和样品表面的“电子云”部分重叠，
使两者之间的相互作用也大大增强。 当距离较大时(>0.6nm)时，STM针尖和样品表面之 间的化学相互作用在单原子操纵过程中不起主导作用。 这样，原子的操纵则主要取决于针尖和样品表面之间的
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球场状围栏
他们还在 Cu表面上成功 地用78个Fe原 子组成了球场 状围栏。
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2. 单原子的提取
(1) 从MoS2样品表面提取去除S原子
1991年，日立中央研 究 所 (HCRL) 曾经在室温 条件下，应用电压脉冲方 法成功地提取MoS2 表面上 的S原子并用遗留下的原子 空 穴 构 成 了 “ PEACE’91 HCRL” 的字样。加工的字 小于1.5nm，至今仍然保持 着最小字的世界记录。
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“原子” 与此同时，他们还在Cu 表面上成功地用101个Fe原 子写下“原子”二个迄今为 止最小的汉字，如图所示。 采取这种十分简单的方法就 可以移动吸附在Cu表面上的 Fe 原 子 ， 是 因 为 金 属 原 子 Cu和Fe之间的结合(金属键) 比较弱，无须很大的力就可 以将它们拉 断。
(3) 钢笔法：这种方式则是寻找一种方法将某种所需的
原子源源不断地供给到STM针尖上，再源源不断地放置到 样品表面上去。这种方式可以加工与表面和针尖异质的原 子结构，如在Si表面加工H原子结构。
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以下介绍用这三种不同方法所做的原子放置的几个实例。 (1).铅笔法
图是用铅笔法将Au针尖材 料放置到样品表面上的一个典型 实例。当在Au的针尖和表面之 间 施加 -3.5~-4.0V(针尖 为负 ) 的 电压脉冲时(此值高于Au原了的 场蒸发阈值)，可以将针尖上的 Au原子源源不断地放置到Au表 面上的预定位置，形成直径为 10~20nm ， 高 为 1~2nm的 纳 米 点结构。用这些纳米点描绘的世 界地图十分微小，直径仅为1um。
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(3) 钢笔法
用钢笔法在Si表面上 加工异质原子结构。在充 有一定氢气的条件下，当 在针尖和表面之间施加一 定的电压偏压时，氢气分 子 (H2) 会 在 强 电 场 的 作 用 下分离成氢原子(H)并沉积 吸附在Si表面上。图中的 三角形结构是用加有+3.5V 偏压的针尖沿三角形方向 扫描而形成的。这种原子 放置过程是先 将 H原 子 源 源不断地供给到STM针尖 上，再源源不断地放置到 样品表面上去。 2013-6-22 33
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Xe原子的移动过程
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Xe原子的移动过程
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(2) 用STM搬迁移动CO分子
用 同 样 的 方 法 Eigler 等 在 1992 年 又 成
功地移动了吸附在Pt表
面 上 的 CO 分 子 ， 并 用 这 些 CO 分 子 排 列 成 一 个 人 的 形 状 。 这 个 CO 分子人的高度才5nm。
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3. 单原子的放置
STM还可以在电场蒸发的作用下将单个Si原子放置 到表面上任意预定的位置。通俗地讲，根据被放置的原子
的来源，单原子的放置可分为如下三种方式:
(1)铅笔法：所放置的原子直接来源于STM针尖的材
料。由于这种方式很难控制针尖材料上单个原子的蒸发，
这个过程必须是自发的，不能借助于外力．
分子自组装现象在自然界是普遍存在的．
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7-1 扫描隧道显微镜单原子操纵技术
近年来，STM不仅使得人们的视野可以直接观察到 物质表面上的原子及其结构并进而分析物质表面的化学
和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表
面进行各种加工处理，甚至可以操纵单个原子、这一特 定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术跨人到 纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工(纳米电子学) 和分子切割(纳米生物学)的一个重要于段。
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1981 年，在瑞士苏黎世 IBM 实验室的Binnig 和 Rohrer 兩 位科学家发明了STM（扫描隧道显微术），并获得1986 年 诺贝尔物理奖。
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（2） 纳米结构的自组装体系
所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方 向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同 作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结 构或纳米结构的花样。
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（1） 人工纳米结构组装体系
所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用 物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、
排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米
有序阵列体系和介孔复合体系等。这里，人的设计和参 与制造起到决定性的作用。例如用原子力显微镜的针尖 操纵单个DNA 分子，通过定位、切割，使之排列成网 格状或者排列成字母．
纯电场或纯电流效应。
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1. 单原子的移动
(1) 用STM搬迁移动氙原子
1990年，美国IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小组 使用工作在超高真空和液氦温度(4.2K)条件下的STM成功地移 动了吸附在Ni(110)表面上的惰性气体Xe原子，并用35个Xe原 子排列成“IBM”字样，如图所示。这一研究立刻引起了世界 上科学家们的极大兴趣并开创了用STM进行单原子操纵的先例。 在Xe原子移动操纵过程中，他们只需将STM针尖下移并尽量 地接近表面上的Xe原子，Xe原子与针尖顶部原子之间形成的 范德华力和由于“电子云”重叠产生化学键力会使得Xe原子吸 附在针尖上并将随针尖一起移动。
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(3)单原子细线
当用STM在Si表面上有序并连续地提取单个原子
从而加工出两条相隔一个原子宽度的单原子细线后，
这两条单原子细线之间所留下的Si原子会自动重新组 合，并偏离它们原来的位置而构成一条间隔均匀的直 线单原子链，这种具有多个隧道结的单原子链可以用 来研究单电子在原子尺度结构中的输运过程。
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STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的 原子或分子。最简单的方法是将针尖下移，使针尖顶部的 原子和表面上的原子的“电子云”重叠，有的电子为双方 共享，就会产生一种与化学键相似的力。在一些场合下， 这种力足以操纵表面上的原子。但是，为了更有效地操纵 表面上的原子，通常在针尖和表面之间加上一定的能量， 如电场蒸发，电流激励，光子激励等能量方式(如图所示)。 利用STM进行原子表面修饰和单原子操纵，具有十分广泛 的应用前景。它已经在制作单分子、单原子和单电子器件， 大幅度提高信息存储量，生命工学中的物种再造以及材料 科学中的新原子结构材料的创制等领域中都有很深刻的应 用前景。
用W针尖从Si样品表面上提取Si原子并移至所期望的
位置后，施加适当的电压脉冲就可以将提取的Si原子逐个放
置到表面上所期望的位置。这是用蘸水笔法放置原子的通常 方法。事实上，由于吸附在W针尖上的Si原子可以在适当电 场的作用下不断扩散到针尖的最顶部，然后在电场的蒸发下 从针尖上重新放置到样品的表面上。这是因为针尖最顶部的 Si原子所受的电场强度远远大于位于平坦表面上的Si原子， 它们总是先于表面上的Si原子而被蒸发并被放置到表面上来。 另外，吸附在针尖最顶部的Si原子也要比W针尖上的W原子 更容易被蒸发，因为W原子的电场蒸发阈值远大于Si原子。
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蘸水笔法实例
下图是用蘸水笔法放置单个Si原子的一个实例。图中用十 字号指示的白点是加到表面上的Si原子。
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蘸水笔法修补
单原子放置技术不仅可以将单个原子放置到样品的表面上，它也可以将单个原子 放入表面上的单原子缺陷中去。如下图，实验时，将吸附有Sj原子的W针尖分别置于Si 表面上每个Si单原子缺陷的上方然后再分别向缺陷内放置单个Si原子而修补表面上的 缺陷。从图中不难看出，图(a)中箭头所指的五个单原子缺陷在图 (b)中已经分别被放 置的单个Si原子所修补。
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(3) 用STM搬迁移动铁原子
1993年， Eigler等进一步将 吸附在Cu表面上48个Fe原子逐个 移动并排列成一圆形量子栅栏， 如图所示,这个圆形量子栅栏的直 径只有14.26nm，而且 ，由于金 属表面的白由电子被局限在栅栏 内，从而形成了电子云密度分布 的驻波形态。这是人类首次用原 子组成具有特定功能的人工结构， 它的科学意义无疑是十分重大的。
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