Manipulation of Single Atoms - :: DST Unit of · PDF filesparked off the manipulation of...

36
Manipulation of Single Atoms Ajit Gopalakrishnan (CH04B055) K B Ganesh (BT04B015) Pavan Srinath (BT04B051) Radha Ramachandran (CH04B034) Vinod Kumar V (CH04B046)

Transcript of Manipulation of Single Atoms - :: DST Unit of · PDF filesparked off the manipulation of...

Manipulation of

Single Atoms

Ajit Gopalakrishnan (CH04B055) 

K B Ganesh (BT04B015) 

Pavan Srinath (BT04B051) 

Radha Ramachandran (CH04B034) 

Vinod Kumar V (CH04B046) 

 

    Manipulation of Single Atoms 

Introduction to ‘Atom manipulation’ 

 

We have seen a surge of development in the field of Nanotechnology these past 

two decades or so. There is now a need to build nanoscale structures that, 

wherein one needs to engineer groups of atoms and molecules in required 

fashion. Building structures and devices at this level is quite different from 

everything else, and one needs to start afresh. To fulfill this dream, a good way 

to go is to use a bottom‐up approach, starting from atoms and molecules. To do 

this, we need to learn how to manipulate single atoms. 

 

   Eigler DM and Schweizer EK in 1990 were able to construct a structure made of 

single atoms, by manipulating them in a controlled fashion. Their achievement 

sparked off the manipulation of single atoms and molecules.  

 

In this report, we will be analyzing the major techniques used for atom 

manipulation, namely low temperature Scanning Tunneling Microscopy and 

Atomic Force Microscopy. We shall start with STM and how manipulation using 

the techniques was developed. After that, we will go into the finer details and 

look at the various modes of manipulation; all illustrated with case studies. After 

that, we will discuss manipulation using AFM, which has been done only since 

recently. In the end, we will also take a brief look at Optical manipulation.   

 

 

 

 

 

 

- 2 -

    Manipulation of Single Atoms 

1. Scanning Tunneling Microscopy  STM was built and used  first by Binnig, Rohrer  et al.  [1],  [2]  in 1983.  It was a 

device  constructed  to  facilitate  surface  studies  at  a nanometer‐level.  Instead of employing optical methods of microscopy, STM uses  the quantum mechanical phenomenon of vacuum  tunneling  for  the  imaging. An atomically sharp probe (the tip) is moved over the surface of the material under study, and a voltage is applied between probe and the surface. Depending on the voltage, electrons will ʺtunnelʺ  or  jump  from  the  tip  to  the  surface  (or  vice‐versa,  depending  on  the polarity),  resulting  in a weak electric current. The  size of  this  tunnel current  is exponentially  dependent  on  the  distance  between  probe  and  the  surface.  For tunneling  to  occur,  the  substrate  being  scanned  must  be  conductive  (or semiconductive).  The  primary  drawback  of  STM  is  that  insulators  cannot  be scanned  through  the  technique, as  the electron has no available energy state  to tunnel into or out of due to the band gap structure in insulators.    

  

Figure 1. Schematic picture of  the STM  scanner. Mounted  in  the  center of  the base plate  is  the piezoelectric  tube  scanner holding  the  tip. On  the outside are  the  three  tube  scanners used  for coarse approach. A  temperature  sensor and a  small  resistance heater are mounted on  the  thick copper sample. [3]  

- 3 -

    Manipulation of Single Atoms 

                     Figure 2.  Schematic view of an STM. Creative Commons  

  The  position  and  the  motion  of  the  tip  are  controlled  by  placing  various 

voltages on the electrodes of a piezoelectric element.   

The microscopy can be done in two modes:   

• A constant current mode where a feedback loop keeps the tunneling current constant  by  adjusting  the  distance  between  the  tip  and  the  surface.  By scanning  the  tip  over  the  surface  and measuring  the  height  (which  is directly related to the voltage applied to the piezo‐element), one can thus reconstruct the surface structure of the material under study. 

• A constant height mode where the scan is made at a constant height above the surface, and the varying current is noted.  

 2. Development of Manipulation using STM  Investigations using the STM were usually done at room temperature, but there 

were developments made  to work  at  low  temperatures  ranging down  to  4 K. Later, it was found that not only surface‐scanning, but that surface‐modification was also possible using STM.[4]   The breakthrough  for  single  atom manipulation  came when Eigler  et  al.,  [5] 

were  able  to  position  single  Xenon  atoms  across  a  single‐crystal Nickel  (110) surface, using STM at 4 K,  in an ultra‐high‐vacuum. The  tip  in an STM always exerts a  finite  force on  the surface atoms  (from Van der Waals and electrostatic 

- 4 -

    Manipulation of Single Atoms 

contributions). Whilst  scanning,  this  force  is  sufficient  to  displace  neither  the native substrate atoms nor atoms adsorbed onto the surface (adatoms). However, if the tip is taken closer, the interaction can become large enough to move some atoms across the surface.  Here, the surface was first scanned. The interaction was too low (10‐9 A at 0.01 V) to perturb the atoms out of their place. The tip was then placed directly over a Xe atom and lowered, till the current increased to around 1.8x10‐8 A. Now, the atom was bound to the tip, and could move with it along the surface. It is important to note that the Xenon atom here never loses contact with the metal surface. It was dragged till the point of interest, and then the tip was retracted. A second scan is always done after manipulation to find out where the atom now was shifted to. The letters ‘I B M’ were drawn this way.  

    

Figure 3. A sequence of STM images taken during the construction of a patterned array of Xenon atoms on a Nickel (110) surface. Each letter is 5 nm from top to bottom. [5] 

 Using the same technique, a simple linear multimer was created, as illustrated 

below. This  breakthrough  shifted  the  focus  of  STM  from pure  imaging  to  the manipulation of atoms and molecules across a  surface. However,  it  took  some time  before  anyone  other  than  the  afore‐mentioned  group  could  successfully carry out the manipulation of single atoms in a controlled fashion.  

- 5 -

    Manipulation of Single Atoms 

   

Eigler and collaborators did not wait to come out with new results, such as their famous construction of a ‘quantum corral’ [6]. In this, they arranged atoms on the   

Figure 4. Various steps  in the construction of a  linear multimer of Xenon atoms on a Nickel (110) surface. The rows of alternating dark and bright lines are the native Nickel atoms of the surface. The distance between the Xe atoms is 5 Å. [5] 

surface next to each other in a circular fashion. The scan afterwards showed that there were standing electron waves  formed  inside  the corral. The experimental data  found  confirm  with  the  quantum  mechanical  predictions  of  particles trapped in a 2‐dimensional box [5].   

    

Figure  5.  Spatial  image  of  the  eigen states  of  a  quantum  corral.  A  48‐atom  Fe‐ring constructed on the Cu (111) surface. Average diameter of ring (atom center to atom center) is 142.6 Å.  [6] 

 Today,  the  focus has gone beyond single atoms, and developments are being 

made in the manipulation of molecules and macromolecules, but we will discuss mainly regarding atoms here.  3. Low Temperature STM  Atom manipulation  is  always  done  under  low  temperature  and  ultra‐high‐

vacuum conditions. At room temperature, the thermal energy of the adatoms is so  high  that  their  positions  on  the  substrate  do  not  remain  fixed.  Initial 

- 6 -

    Manipulation of Single Atoms 

experiments were  conducted  at  4  K,  and  later  technology was  developed  to increase the temperature to values like 30K [7] and 60K for certain experiments. Ultra‐high‐vacuum is required to prevent contamination of the surface due to the adsorption of gas‐phase atoms and molecules. Also, at  these  low  temperatures, the  system  is  very  stable, which  allows  one  to  conduct  experiments  for many days, after preparing one sample.   Essentially,  there are  two broad  types of manipulation were developed based 

on STM, namely Lateral and Vertical manipulation.   4. Lateral Manipulation  Lateral Manipulation  (LM)  is  done  such  that  the  atoms  being manipulated 

never leave the surface. That is, the bonds between them and the surface are not broken.  An  extremely  fine  control  over  the  tip‐atom‐surface  interaction  is necessary to achieve the atomic scale precision. A typical LM procedure involves three steps:  (1) Vertically approaching  the  tip  toward  the manipulated atom  to  increase  the     tip–atom interaction,  (2)  Scanning  the  tip  parallel  to  the  surface where  the  atom moves  under  the influence of the tip, (3) Retracting the tip back to the normal image height thereby leaving the atom at the final location on the surface.  The scanning height  is usually around 6‐7 Å. For manipulation, the current  is 

increased  by  about  two  orders  of magnitude. This  results  in  reducing  the  tip‐sample separation by about 3.5‐4.5 Å. [8] If operating in constant current mode, the  current value  is  fixed at  this  for manipulation, and  if  the mode  is  constant height, the tip will be fixed at the new height obtained.   Usually, the tips used for lateral manipulation are made of the same atoms as 

the  native  substrate.  So,  even  if  the  tip  is made  by  etching  Tungsten,  in  situ preparation of  the  tip  is done afterwards  such  that  the  tip  is  covered with  the same atoms.     The methods  for manipulating  the  adspecies  on  the  surface  depend  on  the nature of the interactions between them and the tip. If the adspecies is repulsed by the tip, then it cannot be manipulated in the same way as an adspecies which is attracted by the tip.   

- 7 -

    Manipulation of Single Atoms 

  

 Figure 6. Working steps for lateral manipulation.  

  4.1 Threshold tunneling resistance  In LM, tunneling resistance (RT) is used to denote the tip‐atom distance, and to 

qualitatively  estimate  the  tip‐atom  interaction  strength  [9].  The minimum  tip‐atom distance  required  for  a manipulation  can be determined by measuring  a threshold tunneling current (IT) to move an atom at a fixed bias (Fig. 7 (a)). Fig. 7 (b)  shows  a  plot  of  IT  as  a  function  of  applied  bias. Here,  each  data  point  is determined by plotting a curve, like the one shown in Fig. 7 (a). From the slope of this curve, a threshold tunneling resistance required to move the atom can be determined.  

    

Figure 7. a) Probability  to move an atom vs.  tunneling current at  −45 mV. b) At  the  small bias range, the threshold current linearly varies with the bias. Rt can be determined from the slope of this curve. [9] 

   

- 8 -

    Manipulation of Single Atoms 

4.2 Modes of lateral manipulation  Based on the nature of the interaction between the tip and the atom, there are 

three different LM modes, namely “pulling”, “pushing” and “sliding”.  

• Pulling In the pulling mode, the atom follows the tip. This occurs when the forces between the tip and the adatom are attractive in nature. The motion of the adatom is discontinuous. It hops on the surface.   

• Pushing In the pushing mode, the atom leads the tip. It occurs when the tip sample forces  are  repulsive  in  nature.  The motion  of  the  adatom  here  is  again discontinuous and it hops over the other surface atoms.  

• Sliding In the sliding mode, the adatom attracted by the tip gradually slides along the surface. When the tip is really close to the sample, the atom is virtually bound  to  or  trapped  under  the  tip  and  it moves  smoothly  across  the surface together with the tip.  

One thing to be noted is that if an atom is attracted to the tip, then it appears as a ‘hill’ on the STM image and that it appears as a depression when it is repulsed by the tip.  4.3 Tip motion in lateral manipulation  A schematic diagram of  force components  involved  in an atom manipulation 

process  is  illustrated  in  Fig.  8(a). Here,  the  STM  is  set  in  the  constant  current scanning mode. The  tip  is  initially  located directly  above  the  atom  and hence, only a vertical force component FN exists. In pulling mode, the tip‐atom distance is carefully  chosen  so  that  the  attractive  interaction  between  them  is  not  strong enough  to  overcome  the  desorption  barrier  of  the  atom.  Since  the  lateral  force component FL is negligible at this point the atom will neither transfer to the tip nor move  to  the next  adsorption  site  (ad‐site) on  the  surface. When  the  tip moves parallel to the surface it passes over the manipulated atom, thereby tracing a part of  the  atomic  contour.  This  action  increases  FL  and  decreases  FN.  When  FL overcomes  the hopping  barrier  of  the  atom,  the  atom hops  to  the next  ad‐site under  the  tip. This  action  alerts  the  STM  feedback  system  to  retract  the  tip  in order  to maintain  the  current  constant  causing  an  abrupt  increase  in  the  tip 

- 9 -

    Manipulation of Single Atoms 

height. Repeating the sequence provides a saw‐tooth‐like tip height curve Fig. 8 (B)‐1. [3]  

   

  

Figure 8. A. Demonstration of the vertical and parallel force components involved in LM.      B. STM tip‐height manipulation curves correspond to (1) pulling, (2) pushing, and (3) sliding modes. [3] 

In the pushing mode, the tip first climbs up the contour of the atom, and at some point  the atom moves away  from  the  tip due  to  the  repulsion. As a  result,  an abrupt decrease in the tip height occurs and repeating of this sequence provides another saw‐tooth‐like signal with a reverse form of the pulling curve (Fig. 8(B)‐2).   

In  the  sliding  mode,  the  interaction  between  the  tip  and  the  atom  is  much stronger,  and  the  adatom  quite  literally  slides with  the  tip, with  little  vertical motion. There are however some  local maxima and minima  for  the  interaction, corresponding to adatom adsorption sites.  

The manipulation signals can be recorded in the constant height scanning mode as well. In that case the manipulation signal corresponds to the tunneling current intensity, not the tip height variation. In both cases, the atom/molecule moves in a  discontinuous  manner  by  hopping  the  surface  lattice  sites.  The  tip  height curves  described  previously  are  also  useful  in  determining  the  atom  hopping distance  during  LM.  For  instance,  the  distance  between  two  consecutive  saw‐tooth signals is a direct measure of the atom hopping distance.  

- 10 -

    Manipulation of Single Atoms 

The  LM  modes  described  previously  are  mostly  observed  when  an  atom  is manipulated  along  a  close‐packed  row  direction  (a  [110]  direction)  on  face‐centered‐cubic  (fcc)  [111]  surfaces. Atoms usually prefer  to  travel  along  close‐packed directions on these surfaces due to a lower diffusion barrier as compared to  other  surface  directions.  Sophisticated  atom  movement  mechanisms  occur when the atom is manipulated along the directions away from the surface close‐packed directions.   4.4 Case Study     One can elaborate further on Lateral Manipulation of adspecies, on a Cu (211) surface, by considering some examples from Bartel et al. [9]    Cu [211] is a stepped, or a ridged surface. Hence, most adatoms are confined to one ridge, and can be manipulated only up or down a direction.  

 

Figure 9. The anisotropic surface of Cu [211] [9]

 i. Cu on Cu [211]  

The Cu adatom here will typically move by pulling [9]. Figure 10(a) shows the  tip  height  during  moving  a  Cu  atom.  In  the  initial  flat  part  the  tip approaches the Cu atom. The following sudden upward jump of the tip must be interpreted as the Cu adatom being attracted by the tip and hence hopping by one adsorption site towards the tip. After this jump the tip moves over the top  and  then  downward  along  the  contour  of  the  Cu  adatom.  From  the contour  line  of  the Cu  atom we  can deduce  that  its new  location  is  an  fcc adatom site again. Once the downward movement of the tip along the side of the  atom  has  reached  a  threshold  depending  on  the  tunneling  resistance, another upward jump of the tip occurs [the second in Fig. 10(a)]. At this point the Cu atom hops by one adsorption site, following the tip. 

  

- 11 -

    Manipulation of Single Atoms 

ii. Pb on Cu [211]  

At a high tunnel resistance like 120 kΩ, Pb behaves just like Cu, (Fig. 9(b)) and hops between adjacent fcc sites [9]. However, Pb is a much bigger atom compared  to Cu. Which means  that  it doesn’t  sit as well as Cu  in  those  fcc sites. When the resistance is lowered to a value like 43 kΩ, one finds that the Pb atom moves with  the  tip  in a smoothly and without discontinuities, and little vertical displacement. This is typically characteristic of sliding. 

 iii. CO on Cu [211]  

CO  is a molecule which  is repulsed by  the Cu  tip used  for manipulation [9]. Even when  scanned,  the CO molecule appears as a  sombrero, as a  small hill  in  a depression  (Fig.  9(d)) Usually,  controlled manipulation  of CO  can only be done by using attractive forces. But due to the high anisotropy of the Cu  [211],  one  can  use  repulsive  forces  to  move  the  CO  molecule.  The manipulation is characteristic of pushing.  

  

  

 

- 12 -

Figure 10. The left part shows tip height curves during manipulation of a Cu atom, a Pb atom, a CO molecule  and  a  Pb  dimer  along  [110].  The  tip movement  is  from  left  to  right,  and  the  tunneling resistances  are  indicated.  All  tip  height  curves  are  unfiltered  raw  data.  The  vertical  dotted  lines correspond to fcc sites next to the step edge. On the right part STM images of the different adparticles are shown. [9] 

    Manipulation of Single Atoms 

 iv. Pb‐dimer on Cu [211]  

We see something very  interesting when we  take up  the case of  the Pb‐dimer  [9]. Hops  by more  than  one  adsorption  site  can  be  observed  for Pb dimers and even  larger Pb clusters. Manipulated by pulling,  it moves quite like  the single Pb atom at a  low resistance  like 100 kΩ. However, when  the resistance is lowered to 130 kΩ, the dimer performs double hops, and at 190 kΩ, it even performs triple hops. (Fig. 9(e)‐(g)). 

 5. Vertical Manipulation using STM  Vertical Manipulation  is  the reversible  transfer of atoms/molecules between  the surface and the STM tip employing additionally electronic/vibrational excitation of the adsorbate by inelastic tunneling. In general, it is more difficult than lateral manipulation  as  the  activation  energy barriers needed  to  lift  the  adatom  from surface maybe  substantially  higher  than  in  lateral manipulation.  Studies  have shown that as the tip is brought closer to the surface, the energy barrier decreases and  finally  vanishes  at  a  certain  tip‐substrate distance  and  the  adatom  can  be pulled to the tip.(Ref. graph below) The tip is brought close to the particle to be transferred until the force between tip and particle is sufficiently strong, so that the particle can go with the tip upon its withdrawal. It is important to note that manipulation of atoms across step edges laterally is not possible but can be done using vertical manipulation.  Step 1:               Step 2: 

          Figure 11. Vertical Manipulation using STM [11]

  Electron current effects play an important role in deciding the direction of atom movement.  The  polarity  is  chosen  such  that  electrons  flow  in  the  required direction of transfer i.e. from sample to tip in Step 1 and vice versa in Step 2.  

- 13 -

    Manipulation of Single Atoms 

5.1 Variation of system energy with tip height     The graph  in figure 12 shows the double well potential model which explains the atom transfer mechanism [3]. When the tip is about 6 A from the surface, the adatom  has  two  stable  positions  ‐  at  the  surface  and  at  the  tip  apex,  as represented by  the  two potential wells  separated by a barrier. When  the  tip  is above the atom and an electric field is applied, the shape of the wells changes to that  shown  by  the dotted  line  and  the well  at  the  tip  apex has  a much  lower energy. So, the atom can be easily transferred to the tip. By reversing the polarity, the transfer of atom from the tip to the surface can be achieved. For manipulation using mechanical contact of the tip with the atom, the tip is lowered till it touches the atom. When this happens, the two wells overlap and transfer of the atom is easily done. 

  

   Figure  12. Double well  potential model [3] 

 

5.2 Variation of energy barrier with tip height  At higher tip heights, it is easier to pull an atom from a flat surface than from a kinked or stepped surface  [11]. This  is as expected because  in  the case of a  flat surface, only 3 bonds need to be broken to release the atom whereas it is 5 for the stepped and 6 for the kinked surfaces. But as tip height  decreases, the impact of the tip on the potential energy of the surface is more pronounced in stepped and kinked surfaces than for flat surfaces. The crossover point that is clearly seen in the  graph  is  the  point where  the  decrease  in  barriers  for  kinked  and  stepped surface  becomes more  rapid  for  kinked  and  stepped  surfaces  than  for  a  flat surface. This shows that the presence of the tip affects the  local environment of that  adatom  to  a  significant  extent,  especially  in  the  case  of  low  coordinated systems  and  it  is  easier  to  vertically  manipulate  an  adatom  on  a  kinked  or stepped surface. 

- 14 -

    Manipulation of Single Atoms 

                   5.3 Factors affecting transfer of adatom to tip.     The probability p of picking up a single Ge atom  from a Ge(111) surface was studied extensively by G. Dujardin et al [12]. It was found that it varied with the change in tip‐sample distance ∆z, the sample voltage Vs and the duration of tip‐sample interaction ∆t. Also, it was seen that the most reliable tips were those in which the tip was terminated with the same atom which was being manipulated, in this case Ge.  

    

Figure  13.  Comparison  of  the  barriers  for  the  flat,  stepped  and  kinked  Cu(111) surfaces with respect to the inverse of the tip height. [11] 

Flat surface Stepped surface Kinked surface 

Figure 14. Three graphs showing the probability of extracting a Ge adatom as a function of applied sample voltage. The tip is approached towards the surface by (a) 4 Å, (b) 6 Å, and (c) 8 Å. The interaction duration has a fixed value ∆t ‐ 10 ms. [12]  

- 15 -

    Manipulation of Single Atoms 

   For small ∆z, p  increases with ∆z but  is  independent at higher ∆z. This shows that at larger tip‐surface distances, the electric field and/or the tunnel current are significant while at smaller distances, they do not have any noticeable effect.   5.4. Case Studies     One  can  elaborate  further  on  Vertical  Manipulation  by  considering  some examples.    5.4.1 Xe atom on Cu(211) surface   

       

Figure 15. Sequences of images during the vertical manipulation [13]  

   The  images  in  figure 15 demonstrate  the vertical manipulation of a  single Xe atom on a Cu (211) surface as reported by G. Meyer et al [13]. The arrow shows the  Xe  atom  that  is  being  moved.  In  the  second  figure,  the  atom  has  been removed and  it attaches  itself to the tip. The resolution  in the middle picture  is higher than the other two pictures. This  is because the removed Xe atom sits at the apex of the tip, thus sharpening it. By releasing it back to the surface, the tip returns  to  its  initial  shape  and  thus  the  resolution  is  same  as  that  in  the  first picture. 

  

- 16 -

Figure 16. Line scan along the marked line.[13]

    Manipulation of Single Atoms 

   The graph in Figure 16 shows that the height difference between the tip heights before picking and after releasing the Xe atom (~0.1 A), over a time period of 15 minutes, proves  that  the whole system  is extremely stable. With  the method of vertical manipulation,  tips  of  specific  geometry  and  chemical  composition  at their apex can be produced which can prove useful for studying the effects of tip composition on the imaging processes.  5.4.2 Case study ‐ C3H6 molecule on Cu(211) surface   Figure 17.  Vertical manipulation of propylene molecule on a Cu (211) surface. [14] 

     The  above  figures  demonstrate  the  vertical  manipulation  of  a  single  C3H6 molecule on a Cu (211) surface as reported by G. Meyer et al [14] The circle shows the  atom  being  manipulated.  In  the  middle  picture,  one  can  clearly  see  the difference between  the C3H6 molecules  (lighter hills) and  the CO atoms  (darker hills).  This  shows  that  the molecule  tips  are  useful  in molecular  recognition imaging.  Another  interesting  point  to  note  here  is  that  the  C3H6 molecule  is oriented the same way before and after the transfer, proving that there has been no rotation of the molecule around the axis.   6. Applications of controlled Manipulation using STM  After  the  initial development  of  controlled manipulation  of  atoms,  advances 

took place in the manipulation of small molecules and macromolecules. Even so, that  intramolecular  rearrangement  could  be  done with  STM. Much  of  this  is beyond  the  subject  of  discussion  here,  but  a  few  novel  extensions  of  STM manipulation can be mentioned.   

- 17 -

    Manipulation of Single Atoms 

6.1 Chemical Reaction using STM  In 1904, Ullmann et al. [21] discovered that heating iodo‐benzene with a copper 

powder catalyst leads to the formation of biphenyl with high purity. Meanwhile, this  reaction  has  become  a  textbook  case  and  it  is  widely  used  in  synthetic chemistry  due  to  its  versatility  in  the  association  of  substituted  phenyls  to complex  biphenyl derivatives. Hla  et  al.  [10] were  able  to  carry  out  this  same reaction by inducing each step of the reaction by means of STM.   

  

Figure 18. Biphenyl formation from Iodobenzene [21]  

The  iodobenzene preferentially  anchors  at  the  lower part  of  step  edges  [Fig. 19(a)].  Iodobenzene  adsorbs with  the π  ring  approximately  parallel  to  the Cu (111) substrate and binds  through substrate  interaction of both  its  iodine atoms and the π system.   The  first  reaction  step,  iodine  abstraction  from  iodobenzene  [Figs.  19(a)  and 

19(b)], was performed by positioning  the  STM  tip  right  above  the molecule  at fixed height and switching the sample bias to 1.5 V for several seconds. Thereby electrons  of  up  to  1.5  eV  are  injected  into  the molecule.  Simultaneously,  the corresponding tunneling current is recorded as a function of time. The separation of iodine is accompanied by a sudden and easily measurable change of   

    

Figure  19.  Schematic  illustration  of  the  STM  tip‐induced  synthesis  steps  of  a  biphenyl molecule[10] 

current, which allows one to determine the dissociation rate. It is not possible to break  the  C‐H  and  C‐C  bonds with  a  single  electron  process  at  this  voltage, especially  as  their  bond  energies  are  about  2  and  3  times  higher  than  the C‐I bond.  Upon  dissociation,  resultant  species  change  their  positions  from  the 

- 18 -

    Manipulation of Single Atoms 

original location under the tip. This effectively terminates tunneling through the fragments.   The  second  reaction  step  is  the  migration  of  one  phenyl  close  to  another 

phenyl. The  “soft”  technique  of  lateral manipulation  is  employed, which uses only tip’s adsorbate forces [Fig. 19(d)]. The path of manipulation for the phenyl is chosen along  the Cu  [111] straight step edge. This path has  the advantage  that due to the higher binding energy and well defined geometry of the step edge as compared  to  the  plane  surface,  it  is more  convenient  to move  the  adsorbates along the step with the STM tip without losing them.    

     Figure 20. STM images showing the initial steps of the tip‐induced Ullmann synthesis. [10]

To  induce  the  last  reaction  step,  association, molecular  excitation  by  inelastic tunneling  is employed. The bias  is  increased to a high value temporarily, while the tip is over the two phenyl molecules, so as to facilitate bond formation.  6.2 Quantum Corrals      Quantum corrals are closed two dimensional structures built atom by atom on an atomically clean metallic surface using an STM. The surface state electrons are restricted to the direction perpendicular to the surface due to the intrinsic energy barriers which exist  in  that direction. Crommie et al,  [6] built  the  first quantum 

- 19 -

    Manipulation of Single Atoms 

corrals  from  iron  atoms  on  the Cu(111)  surface.  STM  images  showed  that  the corralʹs interior local density of states is similar to the eigenstate density expected for an electron trapped in a round two‐dimensional box.           6.3 Quantum Mirages     The term quantum mirage refers to a phenomenon that may make it possible to 

transfer data without conventional electrical wiring. They were first observed by Manoharan  et  al[15].  A  quantum  mirage  is  a  spot  where  electron  waves  are focused so they reinforce each other. The result is an energy hot zone similar to the electromagnetic wave focus of a dish antenna. In the case of electron waves, the enclosure is called a quantum corral.   

Figure 21. First instance of Quantum Corrals – 48 atom Fe ring on a Cu(111) surface. [6] 

  Figure 22A. Atom at Focus. Mirage 

is formed. [15] Figure 22B. Atom not at Focus. No mirage formed. [15]  

 An elliptical corral produces mirages at the foci of the ellipse. When an atom is 

placed at one focus of the corral, a mirage of the atom appears at the other focus. Specifically  the  same  electronic  properties  are  present  in  the  electrons surrounding both foci, even though the atom was only present at one focus. 

- 20 -

    Manipulation of Single Atoms 

Through a quantum mirage it is possible to transfer data without conventional electrical wiring. The quantum mirage technique also permits us to do some very interesting scientific experiments such as remotely probing atoms and molecules, studying  the  origins  of  magnetism  at  the  atomic  level,  and  ultimately manipulating individual electron or nuclear spins.   

7. Atomic Force Microscopy - Introduction     Atomic  Force  Microscopy  is  a  high‐resolution  imaging  technique  that  can resolve  features  as  small  as  an  atomic  lattice  in  the  real  space.  It  allows researchers to observe and manipulate molecular and atomic level features. The AFM was invented by Binnig, Quate and Gerber in 1986[16], and currently has a wide  range of  applications  from  imaging  to manipulation  to organization of atomic structures at a nano level.   7.1 Principle     AFM  works  by  bringing  a  cantilever  tip  in  contact  with  the  surface  to  be imaged.   The cantilever  is typically silicon or silicon nitride with a tip radius of curvature on the order of nanometers. When the tip is brought into proximity of a sample surface, forces between the tip and the sample lead to a deflection of the cantilever  according  to Hookeʹs  law.  The  amount  of  bending, measured  by  a laser  spot  reflected  onto  a  position  sensitive  photo  detector,  can  be  used  to calculate the force.  

 Figure 23. Schematic of an AFM 

 

- 21 -

    Manipulation of Single Atoms 

By  keeping  the  force  constant while  scanning  the  tip  across  the  surface,  the vertical movement of  the  tip  follows  the  surface profile and  is  recorded as  the surface  topography  by  the  AFM.  A Wheatstone  bridge  can  also  be  used  to measure the strain in the AFM probe due to deflection, but this method is not as sensitive as laser deflection. If  the  tip were  scanned at a constant height,  there would be a  risk  that  the  tip would collide with the surface, causing damage. Hence, in most cases a feedback mechanism  is  employed  to  adjust  the  tip‐to‐sample  distance  to  maintain  a constant force between the tip and the sample.   7.2 Modes of Imaging  The primary modes  of  operation  are  static  (contact) mode  and dynamic  (non‐contact or near‐contact) mode.  

• Static Mode  

In the static mode operation, the static tip deflection is used as a feedback signal. Because  the measurement of a  static  signal  is prone  to noise and drift, low stiffness cantilevers are used to boost the deflection signal. Close to the surface of the sample, attractive forces can be quite strong, causing the tip to ʹsnap‐inʹ to the surface. Thus, static mode AFM is done in where the  overall  force  is  repulsive.  This  technique  is  typically  called  ʹcontact modeʹ. In contact mode, the force between the tip and the surface is kept constant during scanning by maintaining a constant deflection.  

• Dynamic Mode  

In the dynamic mode, the cantilever  is externally oscillated at or close to its resonance  frequency. The cantilever  is oscillated such  that  it comes  in contact with the sample with each cycle, and then enough restoring force is provided by the cantilever spring to detach the tip from the sample. The oscillation amplitude, phase and resonance frequency are modified by tip‐sample  interaction  forces.  The  changes  in  oscillation  characteristics provide  information  about  the  sample.  Dynamic  mode  can  be  either frequency modulation or amplitude modulation.  In  frequency modulation,  changes  in  the  oscillation  frequency  provide information  about  tip‐sample  interactions.  Frequency  can  be measured with  very  high  sensitivity  and  thus  the  frequency  modulation  mode 

- 22 -

    Manipulation of Single Atoms 

allows  for  the  use  of  very  stiff  cantilevers.  Stiff  cantilevers  provide stability very close  to  the surface and, as a result,  this  technique was  the first  AFM  technique  to  provide  true  atomic  resolution  in  ultra‐high vacuum conditions [16]. In amplitude modulation,  changes  in  the oscillation amplitude or phase provide  the  feedback  signal  for  imaging.  Changes  in  the  phase  of oscillation  can  be  used  to  discriminate  between  different  types  of materials on the surface. Amplitude modulation can be operated either in the non‐contact or in the intermittent contact regime.  In ambient conditions, most samples develop a liquid meniscus layer. The tip hence  tends  to stick  to  the sample. To bypass  this problem, Dynamic contact mode was developed [17].  

 7.3 Advantages and Limitations    The  AFM  provides  a  three‐dimensional  image  of  the  sample  unlike  the conventional  Scanning  Electron  Microscopes.  While  an  electron  microscope needs  an  expensive  vacuum  environment  for  proper  operation,  most  AFM modes  can work  perfectly well  in  ambient  air  or  even  a  liquid  environment, making  it  possible  to  study  biological  macromolecules  and  even  living organisms.    Its  advantage over  STM  is  that  it  can  image  surfaces of  semi‐conductors  and insulators unlike the STM which can image only conductors.   A disadvantage of AFM is its image size. The AFM can only image a maximum height on the order of micrometres and a maximum scanning area of around 150 by 150 micrometres. The quality of an image is limited by the radius of curvature of the probe tip and an incorrect choice of tip can lead to an image artifact. The AFM typically takes hours to scan and this slow rate can lead to a thermal drift in the image.   8. Case study ‐ Atom imaging and distinction using AFM on a Si surface  

   The figure below shows NC‐AFM images of Oxygen atoms adsorbed on a Silicon surface observed by Seizo Morita et al [27]. At relatively far distances, it is difficult to observe the Silicon adatom arrangement on the Si(111) surface. By decreasing the tip‐sample distance, the Silicon adatom structure can be distinguished but the arrangement is still unclear. On bringing the tip closer to the sample, one can clearly identify the Silicon unit cell structure.  

- 23 -

    Manipulation of Single Atoms 

   Figure 24. NC‐AFM images of oxygen adsorbed on Si(111)‐(7x7) surface at room temperature. [27]

   The bright spots in Fig.24(a) correspond to the oxygen atoms adsorbed on the surface. The spot  labeled as A  is  the brightest showing  its proximity  to  the  tip. Spots B and C are dimmer than A indicating their distance from the tip. The type A spots  tend  to desorb easily  from  the surface as  is observed  in Fig.24(c) when the  tip  is at a very close distance  to  the sample. Hence,  the NC‐AFM  is able  to discriminate Oxygen atoms from Silicon adatoms.  9. Atom Manipulation using AFM     Atomic  Force Microscopy  can  be  used  for manipulating  single  atoms  on  a surface.  It  is  a  relatively  new  tool  compared  to  the  STM  and  can  be used  for manipulation on non‐conducting surfaces also.  

 Figure 25. Lateral and Vertical manipulation using AFM 

    Lateral Manipulation of a single atom is done in Figure 25.1. When the tip is at a close enough distance,  the sample gets attracted. On moving  the  tip  laterally, the adsorbate atom also moves along with it. The next two figures correspond to vertical manipulation. In Figure 25.2, the tip comes close enough and sticks to the atom and pulls it out of the surface. An atom can also be transferred from the tip to the sample similarly as shown in figure 25.3.  

- 24 -

    Manipulation of Single Atoms 

9.1 Case study     9.1.1 Lateral manipulation of an adsorbate on a Ge(111) surface using AFM 

    A Ge(111)  surface with  (2x8) unit  cell dimensions at a  temperature of 80K  is considered  [19].  The  origin  of  the  protrusion  observed  in  Figure.  26(a)  is  the deposition of a single adsorbate on the clean Ge(111)‐c(2x8) surface. A slow scan is done  in  the  [110] crystallographic direction. The blue arrows correspond  to a particular value of  tip‐sample distance  that does not  induce movement and  the red arrows correspond  to a  tip‐sample  interaction which  induces movement of the adsorbed atom. A slow scan is done  in the [110] direction and a fast scan  is done in the [112] direction. The fast scan is used for acquiring the image and the slow scan, for atom manipulation.     Scanning at a far enough tip‐sample distance which corresponds to a frequency shift  Δf1  (indicated  by  the  blue  arrows),  the  adsorbate  atom  remained unperturbed during  the  image  scan process  shown  in Figure 26(a). On  slightly reducing  the  tip‐sample distance  to  a value which  corresponds  to  a  frequency shift of Δf2 (indicated by the red arrows), two similar protrusions   

 Figure  26.  (a)–(h)  Sequence  of  consecutive  topographic NC‐AFM  images  showing  the lateral manipulation of an adsorbate deposited on top of a Ge(111)‐c(2× 8) surface.  [19]  

- 25 -

    Manipulation of Single Atoms 

were observed  instead of one. This  is due to the movement of the adsorbate on the  surface.  The  dotted  line  indicates  the  slow  scan  position  at  which  the frequency  shift  was  switched  from  one  value  to  another.  On  releasing  the interaction  force after  imaging the second protrusion, no additional protrusions were observed.  After being imaged, the adsorbate jumped to a stable adsorption position on  the  surface  as  a  result of  a  slow  scan  in  the  [110]  crystallographic direction. This jump is due to a pulling process of the adsorbate on the tip since it occurs after imaging the adatom.         Lateral  displacements  do  not  occur  in  the  [112]  direction  because  of  greater diffusion energy barriers in that direction than the [110] one. To verify it, further manipulation  is done  in  the  [110] direction  as  shown  in  figures  26(c)  –  (h).  In figures (f) and (h) the slow scan direction  is reversed. In figures (e) and (h), the atom  is guided  through several consecutive positions along  the  [110] direction. Finally, it is brought back to the position where it initially was. This experiment  is a clear  indication of  the capabilities of NC‐AFM  in  laterally manipulating adsorbates deposited on a surface and has numerous applications in the current atom manipulation field.  9.1.2 Lateral manipulation of intrinsic atoms using AFM  

 Figure 27 Topographic images showing the rubbing process on a Ge(111)‐c(2x8) surface. [19] 

- 26 -

    Manipulation of Single Atoms 

Discussion:  A Ge(111) surface with a unit cell dimension of (2x8) is considered [19]. Both the tip  and  sample  are  at  80K. A  particular  region  of  the  semiconductor  surface, indicated by  the  square  in Figure 27  (a)  is  considered  for  rubbing. Figure 27(b) shows the line scan of the area considered. Forward and backward line scans are then  done  in  the  [112]  crystallographic  direction,  gradually  reducing  the  tip‐surface  distance.  As  the  distance  is  decreased,  the  images  get  distorted  as indicated in Figure 27(c). On imaging the surface after the rubbing process, it is observed that the structure is locally modified from a c(2x8) to a c(4x2) unit cell dimension.  Also,  two  additional  features  –  an  atomic  semi‐vacancy,  and  an adatom in a metastable H3 position are observed.  There is no change in the tip composition during the entire rubbing process. This is because images (a) and (d) are identical in structure but for the area which was rubbed. Therefore, the distortion in (c) is due to a rearrangement of the Ge atoms on the surface and the two additional features observed in (d) are likely to have originated from intrinsic atoms only.   9.1.3 Migration of the atom in the metastable state  

 Figure  28  Consecutively  acquired  NC‐AFM  topographic  images  showing  the  tip‐induced migration of an intrinsic Ge adatom of the Ge(111)‐c(2× 8) surface in a metastable H3 position.[19]   The surface  in Figure 28(a)  is scanned again but at a closer tip‐sample distance. Figures 28(b) and  (c) reveal a migration of  the Ge‐adatom  in  the metastable H3 state. This migration is induced by the tip. Typically, the energy barriers at 80K for  the diffusion of Ge adatoms are very high. Hence,  the migration of  the Ge adatom through diffusion to another metastable position is ruled out.  This atom migration is explained by a pulling process induced by the tip on the Ge  atoms.  In  figures  (b)  and  (c),  the  atom  appears  slightly  truncated  because 

- 27 -

    Manipulation of Single Atoms 

initially it was in a different position and it has just undergone a sudden jump to meet the tip.   Discussion:  The  figure below shows  the semi‐vacancy,  the atom  in  the metastable H3 state and  the  c(2x8) unit  cell.  [19] The  circle  indicates  the  area where  the  truncated adatom appeared in Figure 28(c) and the square indicates the unit cell. When the tip  is brought near the circle, the Ge adatom  jumps, changing  its T4 adsorption position (shown in Figure(a)) to a H3 one as indicated in Figure 28(b). This is due to an interaction with the tip. The Ge adatom breaks one of its three bonds, and occupies the H3 position by forming a bond with the nearest restatom under the tip (figure 28(b)). Then, the atom initially in the metastable state instantaneously relaxes  to  a  stable  T4  position  as  indicated  in  Figure(c).  This  is  due  to  the availability of a dangling bond formed by the initial migration of an atom from the T4 to H3 position. This also results in a change in the unit cell dimension as indicated in Figure 28(c).  

 

   

Figure 29. The sequence of images (a)‐(c) indicates the movement of the adatom in the metastable H3 position [19]  

      

- 28 -

    Manipulation of Single Atoms 

 The pulling mechanism which results  in the migration of the Ge atom from the stable T4 to the unstable H3 adsorption position can be explained by a reduction of the energy barrier associated with it due to an interaction with the AFM tip. At 80K temperature, the energy barrier is sufficient to keep the Ge atom in its stable adsorption position. However, two atoms undergo a change in their adsorption position and this is proof of the fact that the local energy barriers are reduced.  10. Vertical manipulation through soft nanoindentation using AFM  A  specific area on a Si(111)‐(7x7)  surface  is  selected  for being manipulated[20]. The  feedback  mechanism  is  removed.  The  tip  is  positioned  right  above  the surface  and  soft  nanoindentation  is  applied.  The  sample  is  slowly  moved towards  the  tip oscillating at  its  resonant  frequency. At a particular height,  the sample  comes  into  contact with a  tip  and a dent  is  created on  its  surface. The image scan reveals that the Silicon atom indicated by the circle in Figure (a) has been  removed  from  the  surface without disturbing  the  rest of  the unit  cell. At least three strong covalent bonds have been broken during nanoindentation.  The atom picked up  from  the surface can similarly be deposited again on  it as shown in Figure(c).  

 Figure 30. Corrugation vs Displacement curves during vertical manipulation [20] 

     

- 29 -

    Manipulation of Single Atoms 

 11. Optical trapping and manipulation: A brief look.  11.1 Introduction     The  technique  of  optical  trapping  and manipulation  of  neutral  particles  by lasers  provides  unique means  to  control  the  dynamics  of  small  particles[23]  In atomic  physics  it  is  now  possible  to  optically  cool  atoms  to  record  low temperatures  (a  fraction  of  a  micro  Kelvin)  and  optically  trap  them  at  high densities. The availability of large numbers of cold atoms moving with velocities as low as 1 cm/s and deBroglie wavelengths comparable to the light wavelength has opened a wide range of new possibilities.      Atomic fountains of cooled atoms have been devised that are capable of greatly improving  the  accuracy  of  atomic  clocks. New  types  of  atom  interferometers have  been  developed  using  cold  atoms  with  the  potential  for  sensitive measurements, such as the measurement of the acceleration of gravity with large increases  in sensitivity. A new  field of atom optics  is developing based on new types of  atom  lenses, beam  splitters,  and  atomic mirrors. Applications  to high definition  lithography  are  being  investigated.  Here  we  attempt  to  present  a recent  paper  on  “atom  sorting  machine”.  Basic  working  principles  of  these techniques are also discussed.  11.2 Optical tweezers [24]  Many  of  the most powerful  optical manipulation  techniques  are derived  from single‐beam optical  traps known as optical  tweezers which were  introduced by Arthur Ashkin, Steven Chu, and their coworkers at AT&T Bell Laboratories.  

Figure 31 Optical Tweezer [24] 

- 30 -

    Manipulation of Single Atoms 

 An optical  tweezer uses  forces exerted by a  strongly  focused beam of  light  to trap small objects. Small objects develop an electric dipole moment in response to the light’s electric field.   11.3 Atom‐sorting machine   An “atom‐sorting machine” has been developed [25] which can be used to deftly rearrange Laser‐trapped atoms  in strings and  the spacing between  them can be precisely adjusted.    Caesium  atoms  are  first  trapped  and  cooled  to  sub‐millikelvin  temperatures. These  atoms  were  then  transferred  into  a  horizontal  standing‐wave  optical dipole  trap  (HDT)  1,  formed  by  two  counter  propagating  laser  beams.  The dipole‐trap  lasers polarize  the atoms and pull  them  into  the  intensity maxima, located  at  the  antinodes  and  separated  by  about  0.5  μm.  The  trapped  atoms (storage time of up to 1 min) are then randomly distributed over the antinodes, forming a string along the axis of the trap.    

Figure 32. Atom sorting machine [25]    By varying  the  relative phase of  the  trapping beams,  the HDT  can be moved along  the  x  direction,  shifting  the  string  of  atoms  but  leaving  the  interatomic separations unchanged. To control these separations, we used a second, vertical standing‐wave dipole trap (VDT). In both dipole traps, the confining forces along the trap axis are much  larger than  in the radial direction. Accordingly, an atom stored in the overlap region of both traps will always follow the axial motion of the  traps.  The  atom  is  shifted  upwards  by  axially moving  the  standing‐wave pattern of  the VDT. The  string of atoms  left  in  the HDT  can be moved  to any 

- 31 -

    Manipulation of Single Atoms 

position  along  the HDT with  respect  to  the VDT. By  reinserting  the  extracted atom  into  the HDT,  it  can  then  be  placed  at  any  target  distance  dt  from  the remaining atoms.      The  equidistant  strings  of  atoms  produced  by  this method  could  therefore serve as a scalable, neutral‐atom quantum register for storing and manipulating quantum information.   12. Conclusion     In summary, we have analyzed various methods of atom manipulation. After reading this, we hope that one is able to  

o Get  an  idea  about  how  the  developments  in  Atom Manipulation  took place. 

o Understand the basic techniques in Atom Manipulation. o Grasp some of the theory behind Atom Manipulation. o And, with luck, like and respect the field as much as we have come to do.  

   The methods are versatile and can be applied in many fields. The focus today has  gone  beyond  that  of  manipulation  of  atoms.  There  are  many  trying  to conduct intra molecular manipulation of large and complex molecular structures like Fullerenes, DNA etc.     In the future, we might be able to develop mechanical and electronic nano‐machines. The principles of Atom manipulation seem vital in this.      To give a taste of what is to come, we have included in our conclusion the exciting new results of Stroscio et al. [26], (Electronically Induced Atom Motion in Engineered CoCun Nanostructures, Nature, published 18th August 2006). They were able to induce motion in a particular atom of a small nanostructure using an STM tip (see Figure 33).        

- 32 -

    Manipulation of Single Atoms 

Figure 33. Model of a CoCu2 molecule on the Cu (111) substrate in (A) a linear and (B) a canted configuration, corresponding to the Co atom (mobile) in the fcc and the hcp sites, respectively. (C) STM topographic image of a CoCu2 molecule showing a superposition of the geometries in (A) and (B). (D) Distribution of residence times of the Co atom in the high current state with a fit to an exponential decay, e–t/τ [26]

       

     One could visualize it as a switch, where the electronic excitation causes the Co atom to hop between two sites.  This hopping is seen as a change in the current by  the  STM.  Hence,  what  we  have  here  is  the  modulation  of  electrical conductivity  through  the  control  of  a  single  atom,  creating  this  smallest  of switches.      The extension of studies such as this to semiconductor and insulating thin films could  point  the  way  to  new  classes  of  atomic‐scale  electronic  and  magnetic devices.          

- 33 -

    Manipulation of Single Atoms 

References:  [1]G. Binnig, H.Roher, Ch. Gerber and E.Weibel, (1981), Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy, Applied Physics Letters. 40,178.   [2]G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, and E. Weibel, (1983), 7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Physical Review Letters. 50,120.   [3] Hla S‐W, (2005), Scanning tunneling microscopy single atom/molecule manipulation and its application to nanoscience and technology, Journal of Vacuum Science and Technology, B 2‐4.  [4] RS Becker, J.A. Golovchenko & B.S. Swartzentruber, (1987), Atomic Scale surface modifications using Tunneling microscope modifications, Nature, 325.  [5] M. Eigler and E. K. Schweizer, (1990), Positioning single atoms using scanning tunneling microscope, Nature, London, 344, 524.   [6]M. F. Crommie, C. P. Lutz, D. M. Eigler, (1993), Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface, Science, 262 – 218.   [7]G. Meyer, B. Neu, K.‐H. Rieder, (1995), Controlled lateral manipulation of single molecules with the scanning tunneling microscope, Applied Physics Letters, A 60, 343‐345.   [8]L. Bartels, G. Meyer, and K.‐H. Rieder, (1997), Basic Steps of Lateral Manipulation of Single Atoms and Diatomic Clusters with a Scanning Tunneling Microscope Tip, Physical Review Letters, 79, 4.   [9] L. Bartels and G. Meyer and K. H. Rieder, (1997), Basic Steps of Lateral Manipulation of Single Atoms and Diatomic Clusters with a Scanning Tunneling Microscope Tip, Physical Review Letters, 71, pp. 213‐215.  [10]Saw‐Wai Hla, Ludwig Bartels, Gerhard Meyer, and Karl‐Heinz Rieder, (2000), Inducing All Steps of a Chemical Reaction with the Scanning Tunneling Microscope Tip: Towards Single Molecule Engineering, Physical Review Letters, 85, 13.   [11] C. Ghosh, A. Kara, and T.S. Rahman, (2002), Theoretical aspects of Vertical and Lateral Manipulation of Atoms, Surface Science, 502‐503, 519. 

- 34 -

    Manipulation of Single Atoms 

 [12] G. Dujardin, A. Mayne, O. Robert, F. Rose, C. Joachim and H. Tang, (1998) Vertical Manipulation of Individual Atoms by a Direct STM Tip‐Surface Contact on Ge(111), Physical Review Letters, 80, 3085.   [13] G. Meyer and S. Zöphel and K. H. Rieder, (1996) Manipulation of atoms and molecules with a low temperature scanning tunneling microscope, Applied Physics Letters, A 63, pp. 557‐564.   [14] G. Meyer, K.H. Rieder, (1997), Controlled vertical manipulation of single CO molecules with the scanning tunneling microscope: A route to chemical contrast, Surface Science, 377‐91087‐1093.  [15] H. C. Manoharan, C. P. Lutz & D. M. Eigler, (2000), Quantum mirages formed by coherent projection of electronic structure, Nature, VOL 403, 512‐515.   [16] G. Binnig, C. Quate, and Ch. Gerber, (1986), Atomic Force Microscope, Physical Review Letters, 56, 930.  [17] Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V.B. Elings, (1993), Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy, Surface Science Letters,290, L688.  [18] Seizo Moritaa, Insook Yib, Yoshiaki Sugimotoa, Noriaki Oyabua, (2005), Non‐contact atomic force microscopy study of the Sn/Si(111) mosaic phase, Applied Surface Science, 241 2–8.  [19] Noriaki Oyabu, Yoshiaki Sugimoto, Masayuki Abe, Oscar Custance and Seizo Morita, (2005), Lateral manipulation of single atoms at semiconductor surfaces using atomic force microscopy, Nanotechnology, 16, S 112‐117.   [20] Noriaki Oyabu, Custance Insook Yi Yasuhiro Sugawara and Seizo Morita, (2003), Mechanical Vertical Manipulation of Selected Single Atoms by Soft Nanoindentation Using Near Contact Atomic Force Microscopy, Physical Review Letter,. 90, 17.   [21] F. Ullmann, G. M. Meyer, O. Loewenthal, and O. Gilli, (1904), Justus Liebig’s Annalen der Chemie, 331, 38.   

- 35 -

    Manipulation of Single Atoms 

[22] J. J. Saenz and N. Garcia, (1993), Quantum contact in gold nanostructures by scanning tunneling microscopy, Physical Review Letters, B 47, 7537.   [23] Arthur Ashkin , (2006), Optical trapping and manipulation of neutral atoms using lasers, Proceedings of Natural Academy of Sciences USA, Vol. 94, pp. 4853–4860.  [24] David G. Grier, (2003), A Revolution in Optical Manipulation, Nature, 424, 810‐816.   [25] Yevhen Miroshnychenko, Wolfgang Alt,Igor Dotsenko, Leonid Förster, Mkrtych Khudaverdyan, Dieter Meschede, Dominik Schrader, Arno Rauschenbeutel, (2006), An atom‐sorting machine, Nature, Vol 442.  [26] Joseph A. Stroscio, Francesca Tavazza, Jason N. Crain, Robert J. Celotta, Anne M. Chaka, (2006), Electronically Induced Atom Motion in Engineered CoCun Nanostructures, Science, Vol 313.    [27] Morita, S., Yi, I, Sugimoto, Y. Oyabu, N. Nishi, R. Custance, O. Abe M, (2005), Mechanical distinction and manipulation of atoms based on non contact atomic force microscopy, Applied Surface Science, v. 241, iss. 1‐2, p. 2‐8.  [27] S.Morita et. al, (2002), Non‐Contact Atomic force microscopy, NanoScience and Technology, Springer.  [28] C Kittel, (1993), Introduction to solid state physics, Wiley Eastern Ltd.  

- 36 -