探測奈米的世界 STM掃描穿隧顯微鏡 Scanning Tunneling Microscope Nano Science Lab 2009

outline 自然界的奈米現象 掃描穿隧顯微鏡的發展 STM原理： 穿隧效應 取像模式 STM裝置： 真空系統 主要部分 探針製備 參考資料

自然界的奈米現象 蓮花效應-出淤泥而不染 蓮葉表面上有納米尺度的蠟質凸塊，能防止污垢和水沾上，因此具 有自潔的功能。 Ref :維基百科http://zh.wikipedia.org

自然界的奈米現象 壁虎腳趾 動物學家利用電子顯微經觀察壁虎的腳趾皮膚，發現最尖端是由 400~1000根狀的匙突（spatula）所組成的，長度大約200奈米至500 奈米。 Ref :Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2008 May 13;366(1870):1575-90.

掃描穿隧顯微鏡的發展 掃描穿隧顯微術是利用 "穿隧效應" 的原理，當探針與樣 品間距離很小時，在兩者之間加上微小電壓，則電子就會 在樣品與探針間形成穿隧電流。 光學顯微鏡於1830年代後期被發展出來增進人類微觀視野， 使人類“看”到了致病的細菌、微生物和微米級的微小物 體，傳統的光學顯微鏡所能提供的最佳解析度，大約等於 其使用光源的波長(~1m)，這樣的解析度已不符目前的需 求。 1926年左右，粒子波學說經實驗證實後，電子束便取代了 可見光源；1940年代發展出來的掃描電子顯微鏡(SEM)將 解析度提高至約20埃(1Å=10-10m,原子直徑約為2-3 Å），使 人類能看到病毒等亞微米的物體而成為現代科技中一項重 要技術。

掃描穿隧顯微術起源於1980年代初期此技術有效並穩定地 操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針 在距樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原 子的排列具體地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多 物理及化學現象。 1981年比尼格 Gerd Binnig 和羅勒Heinrich Rohrer發明了 掃描隧道顯微鏡。在1986年，發明者即因此獲頒諾貝爾物理獎

基本原理 掃描穿隧顯微術是利用 "穿隧效應" 的原理，當 探針與樣品間距離很小時，在兩者之間加上微 小電壓，則電子就會在樣品與探針間形成穿隧 電流。 在古典力學中，一個處於位能較低的電子，不 可能穿越能量障礙到達另一邊，除非給予的能 量超過位能障，然而在量子力學的觀點來看， 電子卻有可能越過能障到達另一邊，主要原因 是電子同時具有粒子和波的行為如下圖。

穿隧效應(tunneling effect) 位能障 Ref : After B.Bleaney.Contemp.Phy.25(1984)320

穿隧效應(tunneling effect) 穿隧校應：量子世界中，粒子是有機率穿遇過能量比本身能量高的能障，而到位能障的另一邊。 探針與導電樣品之間會形成位能障(potential barrier)，穿隧效應發生的地方就在探針與樣品之間。 穿越位障的機率大小是和針尖及樣品表面間距離，成指數平方反比的關係。 單位時間內穿隧過位障的電量稱為穿隧電流。 藉由穿隧電流和針尖樣品間距離關係來取像。

取像方法 定電流取像法(constant current mode) 是以設定的穿隧電流（～0.1nA）為回饋訊號。 回饋訊號：定電流後，經由差分放大器的參考值，來 另壓電材料伸縮。 是用壓電材料的z軸伸縮高度來成像。 可接受表面高低起伏大。 探針 樣品 掃描方向 探針 掃描路徑 樣品

取像方法 定高度取像法(constant hight mode) 是直接以穿隧電流值來成像。 掃瞄速度較快，但表面起伏不能太大，不然會損害針。 掃描方向 探針 樣品

超高真空掃描探針顯微鏡 JSPM-4500A 蘇志川, 碩士論文,國立中興大學, 2007

真空系統 為什麼要在超高真空系統下？Why? 如何達到超高真空？ 超高真空(Ultra-high vacuum)壓力範圍=10-9torr以下。 將氣體排出腔體是幫浦主要的工作。 幫浦系統：旋轉式幫浦(Rotary pump) 、渦輪分子幫浦(Turbo molecule pump)、離子幫浦(Ion pump)及鈦昇華幫浦(Titanium Sublimation pump)。 真空計：派藍尼真空計(Pirani gauge)、潘寧式真空計 (Penning gauge)離子真空計(ion gauge) 。

旋轉式幫浦 (Rotary pump) A)吸入 B)壓縮 C)過壓 D)排氣 “真空技術與應用”,2001年7月，行政院國家科學委員會精密儀器發展中心。

旋轉式幫浦為排氣式幫浦，抽氣壓力範圍約 可到10-3 torr，工作原理主要是將氣體引入並 利用動力壓縮氣體最後排出。 首先腔體內氣體經由進氣孔被吸入(suction)， 藉由轉子帶動葉片壓縮(compression)氣體，造 成氣體過壓(overpressure)最後經由排氣孔排出 (exhaust)。

渦輪分子幫浦 (Turbo molecule pump) A)氣體粒子分子 與運動機件碰撞 後產生額外的運 動分量。 B)渦輪分子幫浦 轉子葉片剖面與 淨氣流之產生。 C)轉子-靜子組合 形成壓縮級。 D)組合多數壓縮 級後形成TMP。 “真空技術與應用”,2001年7月，行政院國家科學委員會精密儀器發展中心。

離子幫浦(Ion pump) 離子幫浦抽氣作用圖解。 “真空技術與應用”,2001年7月，行政院國家科學委員會精密儀器發展中心。

離子幫浦屬於物理吸附儲氣式幫浦，工作壓 力範圍10-5~10-11 torr，工作原理可分為： 氣體離子化(gas ionization) 鈦金屬濺射(titanium sputtering) 化學結拖(chemical gettering) 離子埋入(ion burial) 擴散(diffusion)。

鈦昇華幫浦 (Titanium Sublimation pump) “真空技術與應用”,2001年7月，行政院國家科學委員會精密儀器發展中心。

Brief Intro : Scanning Tunneling Microscopy PZT voltage cable scanner Tunneling current wire STM controller preamp Bias voltage wire 1981年IBM實驗室發展出來 STM除了看表面形貌高低之外，還可以看電子組態 優點：原子解析度，local的觀測 缺點：速度較慢，無法直接得知觀測物的種類 之後又衍生出了其他的SPM系列 AFM是其中一種 sample monitor G. Bennig, H. Rohrer, et al. (1981) 20

STM主要裝置 Ref:http://www.ieap.uni-kiel.de/surface/ag-kipp/stm/images/stm.jpg

STM主要裝置 掃描頭(scanner)： 探針(tip)： 步進器(step motor)： 掃描頭主要材質為壓電材料，壓電材料 (piezoelectric materials)外加電壓可使XYZ三個維度 具有1Å的移動的準確性。 探針(tip)： 針尖首先必須具備高度對稱性，而最佳的針是 短尖型，若針尖太長，掃描取圖時容易產生雜 訊。 步進器(step motor)： 步進器通常具有小於100nm的移動能力，探針靠 近樣品時，首先採用自動進針(auto approach on)， 接著使用手動進針，直到穿隧電流產生為止。

樣品座(sample holder)： 當探針取圖時，由於探針與樣品距離非常靠近， 若樣品基座不穩固，當探針進行較大範圍移動 時，所產生的震動極可能導致撞針。 電腦及控制系統(computer and controller)： 回饋電路：差分放大器(differential amplifier)。 電腦控制介面：多個數位/類比(D/A)及類比/數 位(A/D)轉換器 前置放大器(pre-amplifier)： 放大其回饋信號之穿隧電流。

避震系統(vibration isolation)： 因為產生的穿隧電流只有幾個nÅ，很容易受到 任何震動影響，因此整張桌子採用氣墊桌懸浮 離地，而STM stage避震裝置則有金屬彈簧、橡 皮墊。

探針製備 使用直徑0.3mm的鎢線，利用磨砂紙除去鎢線 外圍的氧化層，並使用丙酮→甲醇→DI water 震洗，再利用電化學蝕刻的方法製備。

電化學蝕刻法的化學反應式： 陽極：W + 8OH-→4H2O + WO42-+ 6e- 陰極：6H2O + 6e- → 3H2 + 6OH- 總反應：W + 2H2O +2OH-→3H2 + WO42-

電子顯微鏡下的探針實圖

STM應用 表面動態學的研究 表面電子特性研究 原子操縱術 表面動態是磊晶成長、很多表面化學反應、及 其它複雜現象中的一基本機制。 觀測表面電子組態狀態。 原子操縱術 最主要的應用是奈米級或原子級結構的製造。

參考文獻 “奈米科學網http://nano.nchc.org.tw 維基百科http://zh.wikipedia.org Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2008 May 13;366(1870):1575-90. After B.Bleaney.Contemp.Phy.25(1984)320 中央研究院物理研究所 http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/stm.htm “真空技術與應用”,2001年7月，行政院國家科學委員會精密 儀器發展中心。 蘇志川, “銀原子在矽(111)-7×7表面的動態研究”,國立中興大 學, 2007.