Document 7416296

Transcript Document 7416296

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(~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
 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.

Document 7416296

Transcript Document 7416296

Directory