单原子操纵及原子尺度器件加工的最新进展

扫描隧道显微镜的发明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，甚至可以控制和操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术迅速跨入纳米尺度和原子尺度。这将会是推动人类科学和技术发展的一个无法估量和替代的动力。本文将介绍在工业界应用最为广泛的半导体材料硅（Ｓｉ）表面上单原子操纵研究的最新进展，并讨论它们在单原子存储器加工中的应用。     

基于原子操纵技术的人工量子结构研究

扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段.利用这种手段,人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构,通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制,实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控.原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合,使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件,因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具.本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点,然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展,以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展,最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.     

气相沉积技术在原子制造领域的发展与应用

随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展,构建器件的材料尺寸将进一步缩小.传统的"自上而下"技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈,而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注,被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的"自下而上"方法.本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术.简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用,并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.     

微纳加工领域新著--《微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用》

微纳加工领域是从事物理学研究与应用开发人员,特别是从事纳米材料与器件研究的物理工作者十分关注和重视的领域。这是由于人们在对纳米材料性能的研究中发现,性能与材料的微观结构尺寸的变化关系密切。例如,随着材料尺度的减小,由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响,材料的物理性能和采用该材料制作的器件特性等都可能表现出与宏观体相材料和相关器件特性显著不同的特点。这些特点是材料性能对微观结构尺寸变化的敏感性所导致的结果。正是由于这种敏感性,使得无论在纳米材料科学问题研究还是在纳米器件发展应用中,对材料生长控制和微加工的精确程度都提出了极为苛刻的要求。所以,需要纳米、甚至原子、分子层次的微纳加工技术,以探索材料与器件的新特性。可见,基础科学的研究发展往往需要技术科学提供强有力的支持,要想探索在纳米尺度下物质的变化规律、新的性质和器件功能及可能的应用领域,同样离不开相应的技术手段。微纳加工技术作为当今高技术发展的重要领域之一,是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳加工,人们可以按照需求来设计、制备具有优异性能的纳米材料或纳米结构及器件与装置,发展探测和分析纳米尺度下的物理、化学和生物等现象的方法和仪器,准确地表征纳米材料或纳米结构的物性,探索纳米尺度下物质运动的新规律和新现象。     

'98中国青年学者纳米科学研讨会

纳米科学是一门集基础科学和应用科学于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料和纳米生物等科学．纳米科学主要是指在纳米尺度甚至在原子尺度上对物质表面和内部的结构以及单分子表面和内部的结构进行观测、分析研究和加工．近年来,扫描隧道显微镜和原子力显微镜...     

原子尺度上水与物质的相互作用

水是生命活动和工业生产的重要组成部分,而水与物质表面的相互作用是其发挥功能的重要途径。人们通过大量研究发现,在原子尺度上,水与物质的相互作用会导致很多反常的物理现象,从而影响到水体系的宏观性质。文章简述了近年来作者所在的研究组对水与物质在原子尺度上的相互作用的部分研究进展,主要包括分子扩散导致的表面超亲水—超疏水转变、晶格常数改变诱导的反常浸润机制,石墨炔纳米孔中水的量子化传输,以及等离激元诱导的水分解等。     

二维磁结构的扫描隧道显微术研究

文章介绍了近年来利用扫描隧道显微术（STM）对表面和薄膜磁结构的研究进展。二维或表面磁结构可以通过在非磁性单晶上外延磁性单原子层薄膜形成，也可以在清洁的磁性单晶表面形成。利用磁性的STM针尖可以观测到原子分辨的表面磁结构。这将增进人们从纳米尺度对磁性的理解，并推动磁电子学的发展。     

原子、分子以及电荷的原子力显微术操纵及其应用

原子力显微术在原子级分辨表征、化学键识别、探测电荷密度分布等领域都有重要的应用.本文在介绍原子力显微术基本工作原理的基础上,着重介绍其在室温原子操纵、对原子/分子操纵过程的表征、以及绝缘基底上的电荷操纵三个方面的工作进展.主要内容有:1)原子力显微术的成像原理及其对典型分子的化学键分辨表征; 2)原子力显微术在室温下的力学操纵和原子识别能力; 3)用原子力显微术操纵分子表面异构或吸附构型变化并表征该过程中的相互作用力; 4)在绝缘基底上通过原子力显微术对单分子及多分子的电荷操纵.原子力显微术操纵在这些领域内的工作拓展了扫描隧道显微镜在原子/分子操纵方面的工作范围,为理解并精确控制操纵过程及构造纳米尺度器件提供了新的思路.     

表面原子操纵与物性调控研究进展

利用扫描隧道显微镜可以在单原子层次上对材料进行操纵,改变其结构与特性,实现原子级结构与物性的精准调控.近年来,扫描隧道显微镜原子操纵技术被广泛用于新型低维材料的精准构筑与物性调控.本文主要介绍应用原子操纵技术对低维材料物性调控的最新研究进展,总结了4种主要探针操纵模式:1)探针局域电场模式; 2)调节探针-样品垂直间距模式; 3)无损形态调控模式; 4)可控裁剪刻蚀模式.通过这些探针操纵模式引入局域的电场、磁场、应力场等,实现在单原子层次上对低维材料的电荷密度波、近藤效应、非弹性隧穿效应、马约拉纳束缚态等新奇物性进行精准地调控.     

原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时,形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇,原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持,而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3 nm以下,具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构,我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线(也称为金属原子线)。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管,金属线直径达到1 nm以下而长度为6 nm以上。通过高分辩电子显微镜观察,它们是同轴圆管(或壳)组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构,管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界,无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用,都将产生深远的影响,有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述,并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。     

原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时，形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇，原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持，而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3nm以下，具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构，我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线（也称为金属原子线）。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管，金属线直径达到1nm以下而长度为6nm以上。通过高分辩电子显微镜观察，它们是同轴圆管（或壳）组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构，管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界，无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用，都将产生深远的影响，有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述，并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。     

核酸-金属复合物及其在原子制造领域的应用

原子及近原子尺度制造是直接以原子为操纵对象,构建具有特定功能的原子尺度结构,并实现批量生产以满足所需要的前沿制造技术,是国际学术研究的前沿热点问题.本综述总结了核酸材料在精准原子制造中的应用及前景,从核酸材料的基本结构与功能出发,论述了DNA与金属原子相互作用的基本原理.从天然核酸材料、人工碱基"分子元素"、核酸纳米结构等方面分类介绍了核酸材料介导的精准原子制造的发展历程与突破性进展.最后,对该领域存在的一些挑战与机遇进行了系统性总结,并对其未来发展方向进行了展望.     

原子设计材料科学与技术(Ⅰ)

科学实验技术的发展，使得人们有可能在原子尺度上人工合成材料，例如，原子团簇、团簇材料、线性链、多层异质结构、超薄膜等．这些材料的特征是维数低，对称性减小，几何特征显著．文章强调原子工程作为这些领域的交接点，重点讨论了原子设计材料的合成、表征和应用．考察了有限尺度和减少维数对这些材料的电磁、光和化学性质的影响和作用．从物理学、化学、材料科学和化学工程等多学科的角度研究了这一新出现领域的现状和未来     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台。二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能。本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面光场调控机制、制备以及应用,最后对原子层厚度超表面发展面临的挑战和潜在应用进行展望。     

原子设计材料科学与技术（I）

科学实验技术的发展，使得人们有可能在原子尺度上人工合成材料，例如，原子团簇，团簇材料，线性链、多层异质结构，超薄膜等，这些材料的特征是维数低，对称性减小，几何特征显著，文章强调原子工程作为这些领域的交接点，重点讨论了原子设计材料的合成，表征和应用，考察了有限尺度和减少维数对这些材料的电磁、光和化学性质的影响和作用，从物理学，化学、材料科学和化学工程等多学科的角度研究了这一新出现领域的现状和未来。     

DNA折纸结构介导的多尺度纳米结构精准制造

原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题.当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时,材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释,相反地,会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性.因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域.作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段,DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路,而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分,正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案,并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇.本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程,然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结,并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.     

原子分子纳米科学教育部重点实验室(清华大学原子分子纳米科学研究中心)

实验室的总体发展目标是：开展原子、分子及纳米尺度的理论和实验研究。主要研究方向为：1、原子分子与纳米层次的探测、识别与控制的物理基础;2、原子、分子、团簇结构与动力学；3、纳米尺度上材料合成、微观结构与特性；4、原子分子超灵敏谱学及其在生物医学、环境、资源等的应用。原子分子纳米科学教育部重点实验室(清华大学原子分子纳米科学研究中心)     

用扫描隧道显微镜操纵Cu亚表面自间隙原子

在超高真空环境下使用扫描隧道显微镜研究了吸附有双甘氨肽分子的Cu(001)表面.在一定的 偏压条件下，针尖在该表面扫描后会形成纳米尺度的Cu团簇，这些团簇可以根据意愿排列成 字母或图形.团簇的高度同偏压、隧道电流以及时间等条件有密切关系.在室温下可以稳定存 在的团簇为制造纳米器件提供了技术上的可能性.实验结果表明，形成团簇的Cu原子不是来 自Cu衬底表面或是针尖.化学吸附在Cu表面的双甘氨肽分子，受到隧道电场的作用会在Cu表 面形成张应变场，Cu亚表面自间隙原子在张应变场作用下迁移到表面是形成团簇的原因. 关键词： 扫描隧道显微镜 纳米尺度Cu团簇 自间隙原子     

大磁场梯度铯原子磁光阱中单原子的实验观测

基于中性原子的激光冷却与俘获技术,目前人们已可以对单个原子的外部乃至内部自由度进行有效的调控.从而可在单原子单光子的层次上对光场与物质的相互作用进行研究.     

“微纳光学”专题前言

正微纳光学是研究极小空间尺度光场的产生及其与物质相互作用新物理与新应用的重要平台。新世纪以来,得益于微细加工技术和材料科学技术的蓬勃发展,人们可以在微米和纳米尺度下对材料形貌进行有序设计和精准加工,由此实现对其光学响应的高自由度控制,进而获得小型化、集成化和动态可调的光学器件。