4-2 機械結構
4-2-1 低電壓掃描器
市售低電壓蜂鳴器(圖4-2、4-3):
圖4-2 市售低電壓蜂鳴器正視圖 圖 4-3 市售低電壓蜂鳴器側視圖
利用市售的低電壓蜂鳴器(低電壓驅動的壓電陶瓷片)，將中心部分的壓電 材料切成四個區域(圖4-4)，分別當成＋X，－X，＋Y，－Y 四個獨立方向，在 已切好的壓電材料上接上陶瓷管延伸管與樣品座作為掃描器(圖4-5)。
圖4-4 將壓電材料分為四個區域 圖 4-5 壓電材料上連接上陶瓷管延伸管與樣品座
再利用電腦傳輸數位訊號傳輸給電子電路，再經由電子電路將數位訊號轉 換成類比訊號給定大小相同而反向的電壓傳送至壓電材料的其中兩個極向 (＋X，－X 或＋Y，－Y)，因壓電效應會使得壓電片有微小的形變量，帶動連 接於其上的陶瓷管延伸管與樣品座有微小的水平位移，因而達到所需要的X 方 向與Y 方向的掃描路徑(圖 4-6、4-7、4-8)。
圖4-8 壓電材料形變帶動掃描器水平移動示意圖
利用上述相同的壓電效應原理，同時對於四個不同方向的電極加上大小相 同的正向或是反向的電壓，使得壓電片上的四個方向同時的上升或下降，而達到 Z 方向的垂直移動(圖 4-9)。
圖4-9 同時加四個正向或反向電壓於壓電材料上的形變示意圖
4-2-2 探針座載台
為了避免探針座置於掃描器上與樣品上的偏壓互相影響而造成微小的漏電 流，所以將探針座獨立出來設計，並加以石英基板作為絕電材料將探針座與機械 的接地部分加以隔絕，吾人稱作探針座載台(圖4-10)，以避免微小的漏電流造成 Z 軸解析度的誤差。
圖4-10 探針座載台
4-2-3 手動步進器
利用三根精密的細調步進螺絲(螺距約0.3 釐米，如圖 4-11)，與 STM 上板 結合，其中兩根作為粗調步進螺絲，可將探針以一步小於0.3 釐米的距離接近樣 品，另外一根則利用槓桿原理作為細調步進的螺絲，以兩根粗調步進螺絲作為支 點，則探針與樣品將以支點與探針和支點與細調螺絲間的距離比例靠近(圖 4-12)。
圖4-11 精密螺紋步進螺絲相片
圖4-12 手動螺旋步進器示意圖
細調螺絲螺距為0.3 釐米，故以粗調螺絲當作支點，則每轉一圈細調螺絲可 讓探針以一步(細調螺絲轉一圈) 0.3mm80=3.75µm 接近樣品，而人手可控制轉
圈幅度保守估計為5 度，所以細調步進螺絲的精細度可以達到3.75 mµ 360×5≒
52nm，以此距離慢慢調整細調步進螺絲使探針接近樣品，而達到可以產生穿隧 電流的距離(圖4-13)。
圖4-13 槓桿式步進器原理解釋示意圖
4-2-4 避震系統
為了隔絕外來震動造成STM 掃描時的震動雜訊，以四根彈簧將 STM 機台 本體懸吊於空中，隔絕與其他機械部分接觸(圖4-14)，而懸吊時四根彈簧的伸長 量均必須大於15 公分以確定彈簧能有效的隔絕外界震動(低頻振動)影響，且必 須控制彈簧工作於最大的彈性限度內以避免彈性疲乏。
圖4-14 將 STM 機械結構懸吊起的避震系統
4-2-5 探針
探針的製作是用化學的蝕刻方法，首先剪下一段直徑0.3 釐米的鎢線，再以 一般市售濃度的氫氧化鉀(KOH)顆粒加入去離子水調成濃度 2M 的溶液，將溶液 放入U 型管中，鎢線的一端接上電源供應器的正極，另一端則泡入溶液內約 5 釐米深度，U 型管的另一端則插入一條與溶液接觸的導線並連接上電源供應器的 負極(如圖 4-15)，將電壓調至約 7 伏特，約 10 分鐘後，待浸入氫氧化鉀液面下 的鎢線被蝕刻拉斷的瞬間關掉電源供應器的電源，將鎢線取下以去離子水浸泡以
沖洗掉鎢線上殘餘的氫氧化鉀溶液，並剪下有針尖的一端約7 釐米—1 釐米作為 探針，通常此製備方法可得到針尖小於200 奈米的探針。
圖4-15 製作探針化學蝕刻裝置圖[8]
圖4-16 以化學蝕刻方法製成的探針在 SEM 下的影像
接著將探針放入自行加工固定探針的探針座(如圖)，將探針放入0.5 釐米的 針孔內，分別以兩邊的固定螺絲鎖起固定以確定探針不會在掃瞄過程中晃動，造 成圖像不清楚或是無法掃描，接著將探針座放上(用磁鐵吸上)探針座載台即可。
4-3 電子電路 4-3-1 電流放大器
在進行掃描式穿隧電流顯微鏡實驗中由探針傳導出來的穿隧電流非常微 小，通常為0.001—50 奈安培，所以為了利用穿隧電流來準確控制 Z 軸的回饋而 不受其他電路產生的雜訊影響，必須先將穿隧電流用電流放大器(圖 4-18)放大並 且轉換成電壓值讓電腦來讀取它的數值。
圖4-18 電流放大器電路圖
4-3-2 絕對值電路
在我們控制程式給定樣品偏壓時，會給定一個正或負的固定電壓值加諸於 樣品之上，因此所產生的穿隧電流也會有正負之分，為了可以讓回饋電路(其中 的電壓比較器部分)只單純的比較放大後穿隧電流電壓值的大小，所以必須讓放 大後轉成電壓的穿隧電流值經過絕對值電路(圖4-19)以確保它的正負值。
圖4-19 絕對值電路圖
4-3-3 回饋電路
將經過絕對值電路後確認為負值電壓的穿隧電流電壓值與我們在程式上所 設定的比較電壓(Set voltage)作比較，若是針尖與樣品的距離過近(穿隧電流電壓 值大於比較電壓)，則多出來的負電壓會加在控制 Z 軸(同時加在±X、±Y)的壓 電材料之上，因此會將Z 軸往後縮，造成針尖遠離樣品;相對的，當針尖與樣品 距離太遠(穿隧電流電壓值小於比較電壓)的時候，為了彌補少掉的負偏壓，會加 一個正電壓在 Z 軸的壓電材料上，使得 Z 軸伸長，而造成針尖往樣品接近，稱 之為回饋電路,而回饋電路補足的電壓與減掉的電壓即為掃描程式換算Z 軸高低 差的依據,以決定待測樣品的Z 方向高度,並用軟體以亮暗差別表現出來。
(圖4-20)。
圖4-20 回饋電路圖
4-3-4 X-Y 控制電路
由電腦輸出一數位電壓給X 控制電路(圖 4-21)，經過 X 控制電路之後此給 定電壓會分成兩的大小相同正負相反的電壓分別成為＋X 與－X，再轉換成類比 訊號傳至X 方向的壓電材料(±X 電極)上，造成掃描器在 X 方向上微小的來回擺 動，由此來控制X 方向的掃描。
圖4-21 X 方向電路控制圖
由電腦輸出一數位電壓給Y 控制電路(圖 4-22)，經過 Y 控制電路之後此給 定電壓會分成兩的大小相同正負相反的電壓分別成為＋Y 與－Y，再轉換成類比 訊號傳至Y 方向的壓電材料(±Y 電極)上，造成掃描器在 Y 方向上微小的來回擺 動，由此來控制Y 方向的掃描。
圖4-22 Y 方向電路控制圖
4-3-5 數位轉類比與類比轉數位轉換電路
數位轉類比卡(D/A Card)(圖 4-23)的功能是將電腦輸出的數位訊號轉換為類 比訊號傳輸給壓電材料，我們所使用的D/A Card 輸出的電壓範圍為±10V，而電 腦為16 位元輸出，則每一個電壓間格的數值為 16
20V2 ＝0.305mV，而我們所使 用的壓電材料規格為∆ ＝0.1µm/V，則可估計壓電材料的形變可控制到最小每X 一步為0.305A 。 o
圖4-23 D/A 轉換電路
而 Z 方向經由回饋所產生的壓電電壓值讀取方式則由類比轉數位卡(A/D Card)(圖 4-24)來執行，A/D Card 的功能是將類比訊號轉換為電腦可讀取的數位 訊號，而電腦讀取的數值依然為16 位元，所以在 Z 方向一樣可以控制在最小每 一步為0.305A o
圖4-24 A/D 轉換電路
而以上兩種的轉換電路接經由USB 介面傳輸(圖 4-25)，以求以更快的速度 與電腦作溝通，而減少掃描圖像所需要的時間。
圖4-25 USB 傳輸介面電路圖
4-4 程式控制介面
4-4-1 軟體介面控制參數功能
圖 4-26 掃描程式介面
當我們開始使用自製STM系統時,當尚未進針時探針距離樣品很遠，此時沒 有任何穿隧電流產生，掃描器(Scanner) 是伸到最長的狀態，所以「Scanner 顯 示器」(圖4-26中的柱狀顯示)的地方會顯示全黑。一旦進針至接收到穿隧電流訊 號， 「掃描器顯示器」全黑部分因為回饋電路的作用使掃描器往回縮之原故，
將不再為全黑,此時代表探針與樣品間有穿隧效應的產生。
當確定有穿隧效應產生後,我們利用程式上的「Set Current」來設定一個穿隧 電流值的大小，所設定之穿隧電流值愈大則探針產生穿隧效應之後距離樣品愈 近，設定值愈小則探針產生穿隧效應之後距離樣品越遠,以此我們可以控制針尖 與樣品間的距離。
同時也需設定樣品上所加的電壓「Bias」(給定的電子總能量)，正負電壓均 可，範圍為±10伏特，原則上以樣品的導電性作為控制的依據,導電性佳的樣品我 們可以給予較小的偏壓,亦即電子在此樣品條件下不需要很大的能量即可產生穿 隧效應而穿過位障;導電性較差的樣品,則必須給予較高的偏壓,即給電子較大的 能量使其產生穿隧效應,相對於樣品上給定的電壓，探針的電壓固定為0伏特。
在掃圖的過程中,即便沒有撞針的情況產生,探針也會因為掃描樣品而漸漸 造成一定程度的損耗,此時可以用「Pulse」的功能來進行修針的動作，「Pulse」
可製造瞬間大電場因而可能改變針尖原子的排列狀況或是將針尖上的雜質給清 除。並可設定要給定的脈衝電壓大小(±10000 mV)，按下「Pulse」便會給樣品一 個方波電壓(每一次供給電壓的時間為1微秒)。
在掃圖之前必須先設定一個適當的Dwelling Time, 「Dwelling Time」代表 每一個取樣點的時間差，時間設定愈小掃描速度越快。但若掃瞄速度過快，
有些樣品具有方向性(例如DVD表面溝槽),一開始程式的預設值是掃描器 沿X方向掃描，若想改變掃描的方向,將「Y scan」勾選起即可，此時掃描器將改 變掃描方向，變成沿Y方向掃描。
若想不斷的重複掃描樣品的同一個區域,則可以點選下「Continuous」的功 能鍵,點選此功能鍵之後,當程式完成一張全區域的掃描以後將把最後一點當成 原點繼續由下往上地來回掃描同一個區域,當來回掃描得到的奈米結構影像都為 相同(重複性)的時候,我們可確定掃描得到的奈米影像的正確性,點選此功能也 可以在一張完整的奈米影像圖型尚未掃瞄完成的時候便可即時存檔,以避免在熱 漂移過大的影響下無法再繼續掃描時必須重新進針而無法存取已經掃描到的奈
若想不斷的重複掃描樣品的同一個區域,則可以點選下「Continuous」的功 能鍵,點選此功能鍵之後,當程式完成一張全區域的掃描以後將把最後一點當成 原點繼續由下往上地來回掃描同一個區域,當來回掃描得到的奈米結構影像都為 相同(重複性)的時候,我們可確定掃描得到的奈米影像的正確性,點選此功能也 可以在一張完整的奈米影像圖型尚未掃瞄完成的時候便可即時存檔,以避免在熱 漂移過大的影響下無法再繼續掃描時必須重新進針而無法存取已經掃描到的奈