3-1 原子力顯微鏡(AFM)
早期1982年由IBM公司蘇黎士（Zurich）研究實驗室的兩位科學家Gerd Binning和Heinrich Rohrer利用原子之間的穿隧效應發明掃描穿隧顯微(Scan- ning Tunneling Microscope，STM）。雖然STM的發明解決了物理學中的很多問 題，不過STM 能分析的材料只局限於導體或半導體。在1986年由IBM公司的Binnig 與史丹佛大學的Quate所開發原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）
發明後，利用探針針尖和欲測試樣本間凡得瓦爾力的強弱，得知樣本表面的起伏 高低和幾何形狀，且樣本可為導體或非導體，AFM成功解決STM 在材料上的限制。
圖3-1-1為原子力顯微鏡的簡單示意圖。
圖3-1-1 原子力顯微鏡的示意圖
AFM除了擁有其他儀器無法達到的原子級的解析度的能力外，其量測的環境可 不必在真空的環境中直接可在大氣中或者在液相中，因為這兩項的特點其應用性 就更加的廣泛了。AFM之探針一般由成份為Si或Si3N4懸臂樑及針尖所組成，針尖 尖端直徑介於20至100 nm之間。主要原理是藉由針尖與試片間的原子作用力(圖 3-1-2)，使懸臂樑產生微細位移，可以測得表面結構形狀，其中最常用的距離控 制方式為光束偏折技術。AFM操作模式主要可區分為接觸式（contact）、非接觸
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式（non-contact）及間歇接觸式或稱為輕敲式，（intermittent contact or tapping）三大類，操作
圖3-1-2 原子距離與斥力、引力關係圖
特性分述如下:
接觸模式(Contact Mode) ：
探針與樣品交互作用力為排斥力，利用定力模式(Constant Force Mode)維持 探針與樣品間的交互作用力為定值。系統回饋電路讓偵測訊號維持在原先的設定 值。當偵測訊號大於或小於設定值時，回饋電路會以誤差值訊號轉成驅動掃描器 的電壓訊號，掃描器以延展或收縮的動作，使探針與樣品間的作用力維持在設定 值。在掃描成像過程中，探針容易刮傷樣品。
非接觸模式(Non-Contact Mode) ：
探針與樣品交互作用力為吸引力，其操作模式是將探針的懸臂以一振幅振動，
當探針與樣品間產生交互作用力時懸臂的振幅會衰減，此振幅衰減的大小與交互 作的梯度有關，即可得到樣品表面形貌。頻率與相位也可做為回饋訊號。在掃描 成像過程中，探針不接觸樣品減少對樣品的傷害，在大氣中解析度易受水膜影 響。
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輕敲模式(tapping mode)：
探針和樣品問的距離介於接觸式和非接觸式，即 0.5至數十奈米之間，探針
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光激發螢光(Photoluminescence,PL)光譜對於檢測發光半導體材料的光特性 是一個有力又無破壞的技術，而且藉由分析光激發螢光資料，可以由光譜中的特
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常見的光激發螢光系統，如圖3-2-2所示，所使用的激發光源為連續藍光氩鎘 雷射(He-Cd Laser)，主要波長為325 nm，為一無特殊極化方向之多模態雷射，
平均輸出功率為30mW，雷射光經由三面雷射反射鏡的反射後，以焦距為5公分的 聚焦透鏡，正向聚焦到樣品上，經聚焦後的光點直徑約為0.3 mm，樣品表面的功 率密度可達21W/cm2，樣品被激發出的螢光同樣藉著此聚焦透鏡收光，與光譜儀 入光口前的另一個焦距15公分的聚焦透鏡，形成共焦的光學路徑。收光所使用的 光譜儀內含三種光柵，其每毫米上的條紋密度分別為1200、1800、300 條，由於 條紋密度為1200 的光柵較適用於藍光的量測範圍，所以在此採用條紋密度1200 的光柵來量測實驗。為避免雷射被透鏡反射後的反射光直接入射到光譜儀中，並 在光譜儀入光口處放置一濾鏡， 將波長為360 nm以下的光全部濾除，而光譜儀 的出光口處採用電荷耦合元件(Charge Couple Device, CCD)來當光偵測器。
圖3-2-2 光激發螢光系統示意圖
3-3 陰極螢光光譜儀(CL)
CL量測是使用由陰極發射出來的電子束當作激發源，通常此電子束的加速電 壓約在5~50keV 之間，藉由加速電子撞擊材料表面來傳遞能量，材料表面接受這 些能量之後，除了此處探討的激發放光之外，尚有其他許多途徑釋放能量， 例 如非散射電子(unscatteringelectron)、彈性與非彈性散射電子(elastically
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and inelastically scattered electron)、背向散射電子(backscattered electron)、歐傑電子、二次電子或X光等等，這些非激發放光的途徑則與材質知 性質及鍵結結構相關，因此藉由分析這些訊號便可以得到材質特性的資訊。當然，
不可避免的CL量測也會遭遇到樣品溫度上升的問題，因此在分析一些熱不穩定的 樣品時，例如高分子材料或有機金屬化合物時，激發源的能量要注意控制，電子 束能量不可太高，否則容易將樣品燒焦。另外因為CL 的激發源電子束的能量可 調整範圍較大，不像PL的激發源光線通常具有特定的波長分佈，因而常會發生選 擇性激發，所以PL與CL的激發源不同，因此產生上述一些基本上的差異。一般而 言CL常用於檢測具有能帶間隙(band gap)的材料，例如半導體材料等。
CL大部分會與SEM(scanning electron microscopy)、TEM (transmission- electron microscopy)等儀器相連使用(圖3-3-1)，原因在原理部分有提及，當 電子束撞擊試片時，可能產生二次電子，而二次電子即是SEM、TEM等儀器主要所 偵測的訊號來源， 藉由這些二次電子，CL也具有類似SEM 的能力，即可以觀測 物體表面的特性。而除了加裝SEM、TEM等儀器之外，也可以在偵測器之前裝置一 干涉儀(Michelson interferometer)，這樣就可以將所得的訊號經由傅立葉轉換
圖3-3-1 CL-SEM圖
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成所需的訊號，這對測紅外線的CL相當有用，而FTIR-CL 光譜儀具有一些優點如:
1.可以改善訊號-雜訊比2.可以記錄多範圍的波長，因此可得到全彩的CL 光譜。
如果要得到單彩的CL 光譜，只需在光徑中在加放一個濾片即可。圖3-3-2為 FTIR-CL儀器圖。
圖3-3-2 FTIR-CL儀器圖
3-4 X-射線繞射儀(XRD)
1913 年W.L.Bragg 父子在晶體結構分析實驗中，從散射X光的分佈情形，他 們認為可以將繞射現象視為入射光被晶面反射。此種反射如同鏡面反射，入射角 等於反射角。在某些散射角下，從相鄰晶面散射之波彼此相位相同，光程差為波 長的整數倍，因而產生建設性干涉。滿足此條件便可產生繞射，稱為布拉格定律 (Bragg’s law)如圖3-4-1。
不同的晶體結構晶面間距(d)會有所差異，其中hkl是各晶面之指標，因此會 有不同組合之繞射角(2θhkl)。藉由θ-2θ 掃描，可以得到晶體的晶格常數，並 可進一步做應力的分析。本實驗所使用的量測方式為ω-掃描，亦稱為搖擺曲線 (Rocking Curve)，其量測方式示意圖如圖3-4-2所示。藉由此方式之量測，可以 由半高寬決定晶體的品質。繞射的發生除了必頇滿足布拉格條件外，也會受晶體 對稱性影響。當晶胞內所含原子數目不只一個時，由於這些原子彼此的對稱關係，
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而限制了某些繞射的發生，稱為消光條件。所以當X 光照射晶體時，只有在某些
2dhklsinθ=nλ
圖3-4-1 布拉格繞射示意圖
特定的入射角才會出現繞射波，這主要是決定於晶胞的形狀、大小及對稱性。此 外，晶胞內組成原子不同時，由於各原子對X 光散射能力相異，故雖結構相同也 會造成不同的繞射強度。
圖 3-4-2 搖擺曲線(Rocking Curve)量測方法示意圖
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