探測奈米的世界 STM掃描穿隧顯微鏡 (通識版本) Nano Science Lab 2009

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

什麼是奈米 奈米 (nanometer)是一個長度的單位。1奈米 = 十億分之1 米(10-9 meter)，約為分子或DNA的大小，或是頭髮寬度 的十萬分之一。 奈米結構的大小約為1 ~ 100奈米，即介於分子和次微米 之間。在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效 應（quantum effect）已成為不可忽視的因素，再加上表 面積所佔的比例大增，物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物 理、化學和生物性質。 以黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanoparticle)時，顏 色不再是金黃色而呈紅色，說明了光學性質因尺度的不同 而有所變化。又如石墨因質地柔軟而被用來製作鉛筆筆芯， 但同樣由碳元素構成、結構相似的碳奈米管，強度竟然遠 高於不銹鋼，又具有良好的彈性。 Ref :奈米科學網http://nano.nchc.org.tw

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

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 Ref :蘇志川, 碩士論文,國立中興大學, 2007

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.