儀器效能

本論文研究工作使用本實驗室的新儀器，研究工作之初儀器並未順利運作。當 時腔體的真空度不佳，使單晶樣品無法準備至良好的狀態，亦即表面不夠乾淨、平 整；也會使探針或樣品在STM 中無法長時間保持乾淨。也缺乏一些重要儀器，如：

分子鍍槍、殘餘氣體分析儀和金屬鍍槍的冷卻水幫浦等。此外，STM 的雜訊太大，

無法獲得原子級解析度，也無法進行STS 實驗。

其後，改善真空度是優先目標，從高溫烘烤流程開始，確保烘烤過程中溫度適 當且腔體各處的溫度均勻(見 2.4 節)；另外，將實驗室保持恆溫以減少腔壁上氣體 分子的吸、脫附。之後安裝殘餘氣體分析儀，若日後真空度異常時可以及時測漏並 加以處理。經過改善後，腔體的真空度已經達到理想的狀態(見第 2 章各節所述)。

降低STM 雜訊的工作並不單純，因為造成雜訊的原因不只一種(見 1.2.3 小節)。

首先重新進行接地的線路配置，確保所有儀器接到同一個大地電位，並且避免接地 迴路(ground loop)的產生。STM 電子系統控制器和壓電馬達控制器的電源線加裝電 源濾波器，以濾除高頻雜訊；同時接到不斷電系統(uninterruptable power supply, UPS) 上，以提供穩壓效果，並避免跳電時對儀器造成損傷(圖 3.1)。防震桌的桌腳及感 測器也經過調整，使其在充氣浮起前後皆保持水平狀態。最後是探針濺射參數的調 整，使探針達到良好狀態(見 3.2 節)。

經過以上種種措施，儀器終於能順利運作，STM 能獲得原子級解析度；安裝 並設定鎖相放大器之後，也能進行STS 實驗，研究工作因此得以開展。

圖3.1 STM 控制器電源線路配置。

3.1.1. STM 掃描頭校正

掃描STM 影像時探針在 xyz 方向的運動由掃描頭控制，掃描頭的壓電驅動器 在施加同樣電壓時，其形變量受溫度影響很大，越低的溫度下形變量越小。在改善 儀器效能期間，STM 是在室溫運作；研究工作開始後，實驗皆在 78 K 低溫下進行，

因此需要做78 K 下的掃描頭校正。

HOPG (highly oriented pyrolytic graphite)是 STM 的標準試片，因為其準備容易，

表面活性低且非常平整。圖3.2a 是 HOPG 在 78 K 下校正後的原子級解析度影像。

二維快速Fourier 轉換(2D-fast Fourier transform, 2D-FFT)可將真實空間的 STM 影 像轉為倒數空間(reciprocal space)的繞射訊號。若真實空間影像具週期性，其繞射 訊號可用以計算週期性的大小，如原子間距離。將計算出的距離與已知值比較，即 可校正STM 掃描頭的 xy 方向。圖 3.2b 是圖 a 的 2D-FFT，3 個原子軸方向的繞射 點與倒數空間原點距離分別是0.469 Å⁻¹、0.462 Å⁻¹和0.453 Å⁻¹，此距離的倒數即 為真實空間中兩原子的距離，分別是2.13 Å、2.16 Å 和 2.21 Å，但並非 HOPG 的

原子間最小距離。圖a 的單位晶格中，銳角夾角是 60°，可知要計算 HOPG 原子間 最小距離，需將前述距離乘上√3/2，亦即 2.46 Å、2.49 Å 和 2.55 Å，已知值是 2.46 Å，校正結果良好。

圖3.2 HOPG 的 STM 影像和 2D-FFT。(a)原子級解析度的 HOPG 影像，掃描範 圍5 × 5 nm²， Ebias(偏壓) = +0.1 V，itunneling(穿隧電流) = 1.0 nA。圖中箭 頭標示3 個原子軸，菱形標示單位晶格。(b)圖 a 的 2D-FFT，可看到 3 個 原子軸方向的繞射點共6 個。中心處橫向的繞射訊號來自 STM 影像中的 雜訊。

STM 掃描頭 z 方向的校正需要已知高度的物體，常用到的是單晶表面的單原 子台階(single-atomic step)。圖 3.3 是 Cu(111)單晶表面和其中一個單原子台階的剖 面圖，台階高度2.04 Å 與已知值 2.00 Å 相當吻合，可知 z 方向校正亦沒有問題。

圖3.3 Cu(111)的 STM 影像和剖面圖。(a)大範圍 Cu(111)單晶表面影像，掃描範 圍500 × 500 nm²，Ebias = −0.5 V，itunneling = 1.0 nA。圖中線段標示剖面圖 位置。(b) Cu(111)單原子台階剖面圖，圖中標示出台階高度。

3.1.2. 鎖相放大器測試

鎖相放大器對進行 STS 實驗至關重要，1.3 節介紹了 STS 實驗和鎖相技術；

2.6 節介紹了本論文研究工作使用的鎖相放大器。測試工作分為 dI/dV 能譜和 dI/dV 圖兩部分。圖3.4 是分別在 3 種基材表面取得之 dI/dV 能譜。HOPG 是一種半金屬 (semimetal)，其價帶(valence band)和傳導帶(conduction band)僅有部分重疊，因此其 導電性不若金屬，但又不像半導體般有能帶間隙(band gap)；大致上，其導電性質 介於金屬和半導體之間。圖3.4a 是 HOPG 的 dI/dV 能譜，在 EF附近的DOS 較小，

隨著能量越大而DOS 越大；而且沒有能帶間隙，正是半金屬的特性。貴金屬材料 的特性是其表面態，不同金屬其表面態能量有所差異。圖b 在 Ag(111)表面取得，

可看到在約−63 meV 處的表面態波峰 ⁵²及其台階狀的譜線特性。圖 c 則可清楚看 到Cu(111)在約−0.44 eV 處的表面態波峰。

圖3.4 3 種表面的 dI/dV 能譜。(a)掃描條件 Ebias = +0.5 V，itunneling = 0.54 nA；f(調 變頻率) = 500 Hz，ΔE(方均根調變振幅) = 20 mV。(b)掃描條件 E^bias = −0.4 V，itunneling = 2.0 nA；f = 2 kHz，ΔE = 10 mV。(c)掃描條件 E^bias = +0.5 V，

itunneling = 0.7 nA；f = 3 kHz，ΔE = 30 mV。

dI/dV 圖的測試藉由掃描金屬表面的電子駐波(electron standing waves, ESW)來 進行。Crommie 等人於 1993 年首次觀察到電子駐波是在 Cu(111)表面上⁵³；同年 稍後 Hasegawa 等人在 Au(111)表面亦觀察到此現象⁵⁴。這是因為近似於自由電子 的表面態電子(波函數)在金屬表面上遇到能障(例如台階或是缺陷)後發生反彈，行 進波與反彈波疊加後即形成駐波。圖3.5a 顯示了 Ag(111)表面的電子駐波。圖 3.5b

是Cu(111)表面的電子駐波，其波長較長，可較清楚觀察波紋；圖中台階處(箭頭所 指之處)波紋呈現長條狀，常見於水岸邊；金屬表面缺陷處(左上一處，右下兩處)附 近波紋呈同心圓狀，一如水面上的漣漪。

圖3.5 金屬表面的電子駐波。(a) Ag(111)表面的 dI/dV 圖。掃描範圍 60 × 60 nm²， Ebias = +0.1 V，itunneling = 1.0 nA；f = 2 kHz，ΔE = 20 mV。(b) Cu(111)表面 的dI/dV 圖。掃描範圍 60 × 60 nm²，Ebias = −158 mV，itunneling = 1.5 nA；f

= 7 kHz，ΔE = 30 mV。圖中箭頭標示台階處。