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奈米技術/奈米操控

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奈米操控

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一種滑移-粘滯致動器,提供粗調和精調定位模式。粗調定位提供長距離但低精度,而精調定位提供高精度和短距離。滑移-粘滯原理:壓電元件的緩慢驅動會導致精調定位。快速收縮和緩慢伸展的組合可以讓致動器以粗略的步長 Δx 移動,因為底座上的力大於底座和底座板之間的靜摩擦力。透過使用緩慢收縮而不是快速收縮來反轉方向。

AFM操控

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使用AFM,可以操控表面上的奈米結構(如奈米管和奈米線)來製作電路,並測量它們的機械效能以及操控它們所涉及的力。

STM操控

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使用STM,可以操控表面上的單個原子,這最早由Eigler等人證明。他們將Xe原子操控在Ni上,拼出了IBM。之後Crommie等人將這種技術擴充套件,將Fe原子移動來建立量子珊瑚。STM探針對珊瑚內部產生的電子駐波進行了成像。這可能證明了最高解析度的奈米操控。

原位SEM操控

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為了監控三維奈米操控過程,原位SEM或TEM操控似乎更可取。AFM(或STM)確實具有對奈米級物體進行成像的解析度,甚至可以達到亞原子級,但成像幀率通常比SEM或TEM慢,並且結構通常必須是平面的。SEM提供了高幀率的可能性;幾乎可以對三維物體進行奈米級解析度成像;在很寬的工作距離範圍內進行成像;並且在樣品室中為操控裝置提供了充足的周圍空間。TEM用於樣品和操控系統的空間非常有限,但另一方面可以提供原子級解析度。對於奈米線結構的詳細研究,TEM是一種有用的工具,但對於組裝具有明確結構的奈米級元件(如批次製造的奈米線和奈米管),SEM解析度應該足以完成組裝任務。

就像STM和AFM技術透過允許研究人員與樣品進行互動而不是僅僅觀察而開闢了全新的科學領域一樣,為SEM和TEM開發奈米操控工具可能對三維操控產生類似的影響。最近,用於此類任務的商用系統已經上市,例如2003年10月Zyvex推出的F100奈米操控系統。一些研究小組也在開發此類系統。

迄今為止,用於原位SEM奈米操控的工具幾乎完全是單個探針(AFM懸臂探針或蝕刻鎢探針),有時與電子束沉積一起使用的探針被用來建立奈米線器件。儘管在過去幾年中已經可以獲得商用微型化夾持器,但關於此類裝置用於處理奈米結構的報道很少。一些電氣測量和操控任務是在環境條件下使用碳奈米管鑷子完成的。

掃描電子顯微鏡內的微型化靜電夾持器,它拾取了一些矽奈米線。

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奈米操控的最佳SEM影像

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由於典型的SEM影像是由從樣品收集的二次電子建立的,因此在解析度和對比度方面,為了獲得最佳成像條件,必須始終做出折衷。SEM SE影像中的對比度取決於影像中不同表面區域的SE產額變化以及信噪比。解析度取決於束斑直徑,並且由於SE範圍至少要大幾個奈米。

最佳解決方案始終是使用盡可能好的發射器(在公式[1]中β_{e}很高)。這意味著使用FEG源。在短r_{wd}處工作會產生窄光束(公式[2]),但通常會阻擋標準ET探測器收集足夠的二次電子。奈米操控通常需要在兩個大型操控單元之間進行高解析度工作,這進一步限制了訊號檢測效率。

操控裝置的設計必須使末端執行器和樣品在短r_{wd}處相遇,並且不會阻擋電子到達探測器的路徑。短r_{wd}還會產生較淺的景深,這在奈米操控過程中可能有所幫助,因為它可以使操作員透過聚焦在不同物體上判斷它們的工作距離。操作員可以使用此功能來了解設定中物體的高度。通常,對於奈米操控,上述考慮因素表明透鏡內探測器通常是有利的。

降低束流以縮小電子束會不可避免地限制檢測到的電子數量,並降低信噪比,除非進行非常緩慢的掃描以增加計數數量。

<footnote>泊松分佈的計數測量n的信噪比S/N為S/N=vn,並且需要高計數以降低影像中的噪聲。</footnote>。

在用於原位奈米操控時,需要快速掃描速度來跟蹤移動的工具(最好以接近即時影片的速度),這需要高束流。加速電壓也很重要,過高的PE能量會導致樣品變得透明(例如圖[3] b)中的碳塗層),而低能量通常會使影像容易受到電荷積累和類似效應的影響。

原位TEM操控

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透射電鏡 (TEM) 可以提供原子級別的三維解析度,但對穩定性的極高要求以及非常有限的樣品空間使得構建原位 TEM 操作裝置成為一項相當大的挑戰。使用這些系統,人們已經觀察到單個原子在金尖端和金表面之間自由懸掛的線;碳奈米管作為金屬的奈米級吸管,以及其他許多奇異現象。

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參考文獻

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另請參見有關如何新增參考文獻的編輯此書籍的說明 奈米技術/關於#如何貢獻

  1. eq SEM 光束直徑
  2. eq SEM 光束直徑
  3. fig INTRO 3 e 深度

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