3.1 實驗儀器簡介
下圖 3.1.1 為本實驗室 STM 儀器上各部件外觀，除了主要的研究工 具掃描穿隧式顯微鏡以外，還有觀察樣品表層較大周期性的低能量 電子繞射儀，度量壓力的離子真空計，抽真空用的超高真空幫浦，
蒸鍍用的電子束蒸鍍槍與 K-cell 蒸鍍槍。
圖 3.1.1 實驗架設整體外觀
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浦及超高真空幫浦。下圖 3.3.1 整理出常見幫浦的工作範圍和終極 壓力。圖表中明顯看出，沒有一種幫浦可以由一大氣壓抽至超高真 空。本實驗室的旋葉式機械幫浦作為前級的粗抽幫浦，渦輪分子幫 浦負責由粗略真空抽至超高真空，再搭配離子幫浦與鈦昇華幫浦將 壓力抽至10−11mbar。
圖 3.3.1 真空幫浦工作範圍
3.4 油封式機械幫浦 [22]
油封式機械幫浦主要由腔室內的轉子(rotor)與靜子(stator)構成。
而葉片裝設在轉子之上，且葉片中間設有彈簧使葉片可以抵住靜子 的兩端。如圖 3.4.1，轉子會在原地旋轉，同時葉片因彈簧的彈性 可以連續抵住腔室內的靜子，氣體由進氣口進入被旋轉的葉片壓 縮，再來被傳輸至排氣口。因轉子的葉片會與靜子不斷摩擦，需要
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幫浦油來減少摩擦時產生的熱量，同時也可以形成油膜來達到密封 的效果。
圖 3.4.1 機械幫浦內部構造示意圖
3.5 渦輪分子幫浦 [20]
渦輪分子幫浦在分子流的狀態下擁有最好的抽氣效果，由於此時氣體 分子密度低，氣體分子之間的碰撞機率小於和葉片的碰撞機率，氣體 分子才可以順利排出。渦輪分子幫浦使用前，會用機械幫浦抽至 10−3𝑚𝑏𝑎𝑟，才讓渦輪分子幫浦打開緩慢提升轉速至全速。渦輪分子 幫浦構造如圖 3.5.1 所示，內部由轉子葉片與靜子葉片互相交替排列 而成，轉子葉片高速旋轉時，葉片會撞擊氣體分子並給予一個額外的 速度分量朝著出口處排出，靜子葉片方向的設計則可以減少氣體分子
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回流機率。
圖 3.5.1 渦輪分子幫浦工作方式示意圖
3.6 離子幫浦 [20]
離子幫浦可透過電場的作用將氣體離子化，離子化的氣體會撞擊到結 拖(getter)材料與之化合而儲存於幫浦之中。離子幫浦運作重要過程 有氣體離子化、鈦金屬濺射、化學結拖、離子埋入、擴散，接下來將 會介紹這幾個過程。
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3.6.1 氣體離子化
離子幫浦構造示意如下圖 3.6.1，離子幫浦會以不鏽鋼管作為陽極，
而鈦板作為陰極並在兩者間加高電位差。在離子幫浦內的自由電子會 被吸引往陽極移動，在移動過程中電子與氣體分子碰撞使氣體被離子 化。離子化氣體在失去電子後會被電場作用往陰極移動。離子化過程 中會額外產生的電子，可再碰撞其他氣體分子使離子化機率大增。設 計上為了增加自由電子碰撞機率，可加以磁場使電子移動路徑加長成 螺線型運動。
圖 3.6.1 渦輪分子幫浦工作方式示意圖
3.6.2 鈦金屬濺射與化學結拖
當氣體撞擊鈦金屬板時會埋入其中，或撞擊出鈦原子。鈦原子擁有很 大的活性，能與氣體分子反應化合形成低蒸氣壓固體，進而儲存在幫
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3.8 真空壓力計 [20][24]
離子真空計測主要應用在高度真空，主要原理是透過將氣體離子化 形成離子電流，此離子電流大小與腔體的氣體分子數量成正比，則 我們可以藉此推算腔體內壓力大小。
本實驗室使用熱陰極式離子真空計，它的主要構造如圖 3.8.1，陰 極的燈絲通電流後加熱可產生熱電子，柵狀的陽極可以產生電場加 速熱電子與氣體分子碰撞使氣體離子化，桿狀的集極則可收集氣體 的離子電流。離子真空計的集極除了會收集離子電流外，當電子撞 擊到陽極時，會因為減速產生 X 光，若射向集極則會產生光電效的 光電流，此效應所產生的電流就是離子真空計能讀取的壓力下限。
設計上會讓集極的面積盡量減少，例如設計成桿狀，以減少非離子 電流的貢獻。
圖 3.8.1 離子真空計構造示意圖
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3.9 蒸鍍矽統
蒸鍍是指將鍍源加熱至高溫而使鍍源氣化，並使之沉積在表面的一種 鍍膜方式。本實驗室所用到的蒸鍍系統有兩種，分別為 K-cell 蒸鍍 槍和電子束蒸鍍槍。這兩套蒸鍍系統加熱鍍源的方式有相當大的差異，
以下會介紹這兩種蒸鍍系統的構造及原理。
3.9.1 K-cell 蒸鍍槍 [20][21][25]
K-cell 的構造如圖 3.9.1 所示，他可透過對外部鉭片通電流後，加 熱石墨坩鍋內部的鍍源。當溫度足夠時可使鍍源蒸發飄出前端的孔洞。
加熱的溫度可透過石墨乾鍋尾端孔洞內的 W3-type 熱電偶測得。若要 使用不同的鍍源可在石墨坩鍋內放置 PBN 材質的試管，將鍍源放置其 中以避免被上一種鍍源汙染。本實驗室以 PBN 試管乘載銀錠進行蒸鍍 銀的作業。
圖 3.9.1 k-cell 構造示意圖
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操作上，會在鉭片上通以 2.85A 的電流，此時坩鍋溫度可透過 K-cell 上的熱電偶測得約940℃。蒸鍍的過程中必須不斷通入冷卻水減少蒸 鍍槍外殼的釋氣。若過程中冷卻水脫落，不可立刻接回，這會使坩鍋 急速降溫而破裂。特別需要注意的是 PBN 試管在高溫下會裂解出氮 氣，在約 900 ℃ 下氮氣的蒸氣壓為 2 × 10−10 𝑚𝑏𝑎𝑟 ，在 1100 ℃ 下蒸氣壓到 10−8 𝑚𝑏𝑎𝑟 。
3.9.2 電子束蒸鍍槍 [20][21][26]
本實驗室使用 Omicron 的 EFM3 電子束蒸鍍槍，其蒸鍍槍內部構造圖 3.9.2 所示，電子源由前端的燈絲通電流加熱後產生，被加以正高 壓的棒狀鍍源吸引，最後撞上鍍源的最前端，使用後的鍍源都會發 現前端有熔化的現象。一部分蒸鍍出的原子會因為電子撞擊而攜帶 電荷，離開蒸鍍槍時會被前端的 Flux monitor 偵測到並顯示數値 在控制器上。Flux 大小直接與蒸鍍速率相關，我們可以藉此標定蒸 鍍速率。
圖 3.9.2 電子束蒸鍍腔構造示意圖
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3.10 掃描式穿隧顯微鏡 (STM) [27][28]
本實驗室使用 Omicron 公司的變溫掃描式穿隧顯微鏡(Variable temperature - Scanning tunneling microscope, VT-STM)，結構 如下圖 3.10，主要構造有探針、掃瞄頭、樣品台、避震裝置、步進 器、控制裝置、液態氮儲存槽。
圖 3.10 STM 構造示意圖
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及與渦電流阻尼兩種來減少震動，圖 3.10.3 為一部分的避震構造 及掃描平台的照片。渦電流阻尼系統由黃銅色的鱗狀金屬及黑色的 磁鐵排列其中，經過仔細調整後鱗狀構造不應該與磁鐵互相接觸。
掃描平台本身是用來置放待測量樣品的區域，在放置樣品滑軌的正上 方包含兩片小型電刷，它有一定的彈性可以撐起樣品座。這些電刷連 接樣品座的電極經由 HCC 線連接到腔體外使樣品座接地。若樣品座 沒有確實接地會造成實驗中強烈的60Hz 的電訊號雜訊。
圖 3.10.3 避震構造及掃描平台
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3.11 低能量電子繞射儀 [28]
圖 3.11.1 為低能量電子繞射儀工作簡圖，我們將電子槍內部燈絲通 電流加熱後，可以產生熱電子。我們利用電壓使電子加速飛向樣品並 在樣品表面產生繞射，且這些繞射電子動能與入射電子相當。我們利 用螢光頻來顯示繞射電子的成像位置，而在樣品與螢光平中間有柵極 G2 和 G3 能夠產生阻滯電場過濾掉能量比加速電壓還低的電子。使用 上我們需要將樣品接地，具體的方式由機械手臂上的直接加熱接線與 STM 腔體連接。
圖 3.11.1 LEED 構造圖
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