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STM 掃描穿隧顯微術

STM 掃描穿隧顯微術. 報告者 : 曾吉隆 王鎮億 吳俊毅 謝聖尉 黃琛壹. 源起. 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。

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STM 掃描穿隧顯微術

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  1. STM掃描穿隧顯微術 報告者:曾吉隆 王鎮億 吳俊毅 謝聖尉 黃琛壹

  2. 源起 • 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，電子束便成為取代可見光源的必然選擇；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。

  3. 源起 • 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年比尼格和羅勒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

  4. 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(圖一)。

  5. (圖一) 樣品與探針之間存在一個位能障Vo示意圖 穿隧效應

  6. (圖二)穿隧電流與距離的關係示意圖 穿隧電流與距離的關係 穿隧電流 樣品與探針之間的偏壓 探針與樣品的成分 探針與試片之間的距離

  7. STM的取像方式 (一)定電流取像法（constant current mode） (1）原理: 以探針的高度變化來作為樣品表面的呈像方式，便能反映出樣品表面的形貌。 （2）優點: 可容忍待掃描樣品較大的表面高低變化。 （3）缺點: 由於必須以回饋信號作為調制，因此掃描速度較慢，容易受到低頻雜訊干擾。 (圖三) 改變探針的高度使穿隧電流固定

  8. (二)定高度取像法（constant height mode） (1）原理: 直接以穿隧電流值的變化 來作為表面形態的呈像。 （2）優點: 可做快速掃描以補捉一些 表面動態。 （3）缺點: 若掃描範圍內的樣品表面起伏太大，則極容易損壞探針。 (圖四)固定探針的高度，記錄穿隧電流的變化

  9. (三)電流密度取像法（current imaging tunneling spectroscopy, CITS） （1）原理: 結合定電流取像法（constant current mode）與定高度取像法（constant height mode），並且其中引進偏壓調變作為取像之變數。 （2）缺點: 因為回饋系統必須不斷地開關，因此較為費時，記憶體容量的需求量很大，但以現代的電腦容量，已不成問題。

  10. 儀器架構 (圖五) 掃描穿隧顯微儀器裝置圖

  11. STM結構的示意圖 2.壓電控制掃描器 壓電晶體會隨著所受電壓的高低而產生非常微細的收縮 或膨脹。用於控制掃描尖端的水平位置 x，y，和z 3.距離控制器和掃描裝置 使用壓電原理控制位置的 精確度要求很高，因此需 要一個控制器粗略地把掃 描尖端帶到接近樣本的位 置，然後才讓壓電控制發 揮作用。 1.掃描用的尖端 電子從掃描尖端 穿隧到樣本，產 生穿隧電流。 4.隔振系統 STM 用於測量極微細的位置 ，因此隔振是非常重要的。 5.計算機計算機記錄穿隧電流並控制施加於壓電管 的電壓，以產生樣本表面的三維地圖

  12. (1)掃描頭（scanner）:壓電材料不僅結構堅硬，用普通電壓源即可提供小於1埃的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。(1)掃描頭（scanner）:壓電材料不僅結構堅硬，用普通電壓源即可提供小於1埃的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。 (2)探針（tip）:一般都是用0.5mm的鎢（W）絲，以電化學的方法，在KOH或NaOH溶液中腐蝕。 (3)樣品台（sample stage） (4)步進器（stepper）:將探針和樣品的距離具有步距約在1000埃的功能，並且步進頻率必須能夠調節到1kHz。 (5)避震裝置（vibration isolation）:常用的避震材料為金屬彈簧或橡皮墊，並配合阻滯裝置來使用。 (6)前置放大器（pre-amplifier）:放大回饋信號之穿隧電流（約1nA）。 (7)電子及控制系統（electronics and controller）:包含回饋電路及電腦介面。驅動接在掃描頭上之z軸電壓 源，用來調節 在掃描過程中的電子穿隧間距。 (8)電腦（computer）

  13. STM動畫影片 Nanosurf股份有限公司的操作“ easyScan” (STM) . 用動畫來表現顯微鏡，掃描穿隧顯微鏡怎樣用來測量物體表面的形狀。

  14. STM動畫影片-2 使用動畫模擬的能力，放大10000倍移動到原子規模。

  15. STM動畫影片-3 在樣品與探針之間，提供適當的直流電位差，便會在兩極之間產生不同強度的穿隧電流。

  16. STM動畫影片-4 另一方面，藉由電路回饋系統，我們可以制樣品探針間距， 使得穿隧電流以負回饋方式，隨時間逐漸趨近設定值，如此 便可保持適當的工作高度進行表面掃描。

  17. STM動畫影片-5 完成表面掃描動作，顯示出表面影像

  18. STM應用 掃描隧道顯微鏡(STM)可以研究表面上發生的物理與化學過程。物理例如︰晶體生長過程、表面物質沈積過程。且最早期研究工作是在超高真空中進行的，因此最直接的化學應用是觀察和記錄超高真空條件下金屬原子在固體表面的吸附結構。 主要可分為以下三大領域: 1.表面動態學的研究 2.表面電子特性研究 3.原子操縱術

  19. 表面動態學的研究1/2 近年來主要的研究是在表面動態學，尤其是表面原子分子擴散行為、結構變化、磊晶成長及表面化學反應幾方面。

  20. 表面動態學的研究2/2

  21. 表面電子特性研究1/2 • STM除了可以讓我們了解表面原子的排列外，也能用來觀測表面電子分佈狀態。科學家將矽（111）-7x7 重構表面的電子能態密度的空間分佈清楚地展示。

  22. 表面電子特性研究2/2

  23. 原子操縱術1/2

  24. 原子操縱術2/2 下

  25. 掃描探針顯微術(SPM) • 掃描探針顯微術(SPM)的量測範圍可從原子等級到數百微米，可測量的物理量包羅萬象，並且擁有操控與改變表面狀態的能力，因此成為諸多工具中，發展最為迅速且應用廣泛的方法之一。

  26. 幾種較常用的掃描探針顯微術 • 掃描探針顯微鏡(STM) • 原子力顯微鏡(AFM) • 掃描電容顯微鏡(SCM) • 掃描延伸電阻顯微鏡(SSRM) • 電場式顯微儀(EFM)

  27. 一般常見的材料分析技術 • 材料結晶結構鑑定與分析 •X光繞射分析儀（XRD） •穿透式電子顯微鏡（TEM） • 表面或材料內部的顯微結構影像 •掃描式電子顯微鏡（SEM） •穿透式電子顯微鏡（TEM） •原子力顯微鏡（AFM） • 材料成份分析 •X光能量散佈分析儀（EDS） •表面化學分析儀（ESCA） •歐傑電子顯微鏡（AES） •二次離子質譜儀（SIMS）

  28. SPM與光學及掃描電子顯微鏡(SEM)的比較

  29. 結論 • 掃描式探針顯微鏡（SPM）自從1982年發展以來至今已經衍生了許多不同的應用，其運用的範圍已擴及表面物理、固態物理、生物物理、生命科學、材料科學、奈米科學等學術研究，以及奈米量測、半導體檢測、超精密加工、生物技術與奈米技術等工程研究與實際運用，故值得繼續深入探討。 • STM的發明給予科學界前所未有的能力，使得探測及操縱材料表面的原子、分子，不再只是夢想。此技術自1980 年代初期發明至今，短短20 年間，已蓬勃發展，使用範圍涵蓋物理、化學、生物及材料等科學領域，並衍生出各式各樣的顯微技術及應用。由於STM有著極佳無比的解析力，早已廣泛的應用在各個領域，其中，值得注意的有下列三個領域：表面動態學(surface dynamics)的、表面電子特性、以及原子操縱術的研究，因此不管在哪一種領域的量測應用上，如需要獲得最為精確的數值，那STM是其中最佳的選擇之一。

  30. Thanks for your attention !

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