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Nano Science Lab 2009
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
STM應用
參考資料
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
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(~1m),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
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。
位能障
Ref : After B.Bleaney.Contemp.Phy.25(1984)320
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。
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
掃描方向
探針
掃描路徑
樣
品
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。
探針
掃描方向
樣
品
蘇志川, 碩士論文,國立中興大學, 2007
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) 。
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)。
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)。
A)鈦膜抽氣式意圖。
B)較顯著的化學作用。
“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
scanner
PZT voltage cable
Tunneling current wire
preamp
STM controller
Bias voltage wire
sample
monitor
G. Bennig, H. Rohrer, et al. (1981)
Ref:http://www.ieap.uni-kiel.de/surface/ag-kipp/stm/images/stm.jpg
掃描頭(scanner):
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。
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
表面動態學的研究
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。
表面電子特性研究
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。
“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.