5-1 自製原子力顯微鏡介紹
一般市售原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)的機台，量測原子 與原子間的作用力原理大多是利用第三章所介紹，利用四象限二極體來偵測雷射 流顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)原有的絕對值電路將交流電壓訊 號的下半部(負值)轉為正值，接著運用濾波器將訊號轉換為單純的直流訊號，此 時我們可將這單純的直流訊號對比於STM 實驗中因穿隧效應所得到的穿隧電流 轉換成的電壓值，將此電壓值輸入到回饋電路加以回饋進而控制Z 軸的伸長與
圖5-1 由石英震盪器輸出的交流電壓訊號 (進針前) 圖5-2 受抑制後的交流電壓訊號(進針後)
5-2 STM 機台改裝成 AFM 機台機械結構暨電路系統介紹
需將STM 的探針座載台置換成專屬 AFM 的探針載台，而為了避免由石英 震盪器輸出的微小交流電壓受到由頻率產生器輸入給壓電片的交流電壓影響，必 須將石英震盪器的接地部分與壓電片的接地部分加以絕緣。而掃描器、避震系 統、手動步進器則可全部沿用原有STM 機台的系統。在電路控制系統上，必須 將原有的絕對值電路運用在將交流電做全波整流上，並且加上一濾波器將經過絕 對值電路全波整流後的電壓訊號轉換成一單純的直流電壓訊號，在回饋電路的比 較器中必須重新設定一個比較電壓，來確認AFM 探針與待測樣品之間的距離，
此後的回饋電路系統與X-Y-Z 控制電路則沿用原有的 STM 電路系統。
5-3 機械結構
5-3-1 石英震盪器(音叉)
石英是由矽原子和氧原子組合而成的二氧化矽(Silicon Dioxide，SiO2)，石 英晶體具有壓電效應的特性，當施加壓力在晶體某些方向時，垂直施力的方向就 會產生電汽電位，相對的當以一個電場施加在石英晶體某些軸向時，在另一些方 向就會產生形變或振動現象，掌握單結晶石英材料的這種壓電效應，利用其發生 共振頻率的特性，發揮其精準程度作為各類型頻率信號的參考基準，就是石英震 盪器的設計原理與應用[9]。
石英的共振頻率會因溫度變化而改變(圖5-3)，這是因為石英材料在各個座 標軸向的熱膨脹係數不同導致的，而我們自製AFM 所使用石英震盪器皆操作在 振盪頻率穩定的室溫下，所以溫度的高低對於我們所使用的石英震盪器影響不 大。
圖5-3 石英震盪頻率與溫度關係圖[9]
將市售的石英震盪器，以尖嘴鉗小心的將外層包覆的金屬外殼拆除，露出 原本包覆在金屬外殼中的音叉，再將一小段鋁合金棒接上音叉底座(因為鋁合金 質輕且容易加工) (如圖5-4)，以利用此小段鋁合金棒傳導壓電片的震動給音 叉，而使得音叉達到共振頻率。
圖5-4 壓電片帶動石英震盪器振動連接示意圖
5-3-2 低電壓壓電片驅動器
利用市售的低電壓壓電陶瓷片，將高頻率的電壓訊號分別接上下方的金屬 震動片與上方電極(圖5-5)，會使得壓電材料朝相反方向且快速的形變而造成一 快速的震動，若準確的控制輸入的交流電壓訊號將可準確的控制低電壓壓電片的 振動頻率，進而確認連接於其上端的音叉振動頻率。而在給定訊號過程中，交流 電壓振幅不可過大(±10V 以內)，過大的振動(振幅)可能造成探針的晃動，使得 掃瞄出來的影像失真。
圖5-5 以高頻訊號震動壓電片示意圖
5-3-3 探針載台
為了使低電壓陶瓷壓電片可以固定於載台且又可不受外力影響而順利的振 動，必須在載台放置壓電片的位置上用铣刀铣出可以讓壓電片上下自由振動的圓 孔，之後再裝入壓電片，接著在壓電片的中心接上已經與小鋁合金棒相接的音 叉，最後將探針牢牢固定於其中一端的音叉懸臂上，使得壓電陶瓷的振動頻率可 以順利且正確的傳導至探針之上。(圖5-6)
圖5-6 AFM 探針載台組合圖
5-4 電子電路
5-4-1 震盪頻率產生電路
在原本STM 系統中有一組電壓輸出是給定樣品偏壓(bias)，因為在 AFM 系 統中不需要給定此偏壓給樣品，所以此組輸出源藉由微處理介面轉換為給定一震 盪頻率15 千赫茲—100 千赫茲的交流電壓訊號傳輸到低電壓壓電片上使其振動 頻率可以微調到石英震盪器的共振頻率。
圖5-7 震盪頻率產生電路
5-4-2 交流電壓放大器
因為石英震盪器將受原子力抑制後的交流電壓訊號電壓送出，而經過外在 力量(原子與原子間作用力)影響石英震盪器本身的自然震盪頻率和因為訊號傳 輸過程當中受到的電磁雜訊影響，在傳回電子電路時會有明顯的雜訊產生(如圖 5-9)，為了避免這些雜訊影響到回饋電路計算時的準確性，我們勢必得將訊號經 過一個良好的電壓放大器之後在進行後續的電路運算處理。
圖5-8 交流電壓放大器
圖5-9 震盪訊號受抑制經傳輸後所產生的雜訊
5-4-3 絕對值電路暨直流濾波器
由石英震盪器所傳送出來的電壓是一個標準的交流電壓訊號，所以我們利 用原先STM 系統就有的絕對值電路，當作一個整流器，將負值的電壓值翻到上 半部轉為正值，此時原有的兩個電壓將會相加，形成一個只有單邊振幅的電壓訊 號，再利用一直流濾波器濾掉不需要的部分，進而形成一個單純的直流電壓訊 號。利用此電壓訊號送入原有STM 系統的回饋電路中，加以回饋定讀取 Z 軸的 高度數值，以表現樣品表面的高低起伏。
圖5-10 絕對值電路暨直流濾波器
5-4-4 數位化控制頻率電路
因為石英震盪器共振頻率只存在一個微小的範圍內，若以手動調整類比訊 號大小將非常難以達到石英震盪器的共振頻率，所以設計一組可以由電腦程式輸 出調變參數的控制頻率電路(圖5-11)，利用數位轉類比的ＩＣ將電腦所設定的數 位訊號，轉變為類比訊號輸出給壓電材料使並之以給定電壓振動，而數位化控制 最主要的好處是可以小範圍調變所輸出的振盪頻率，以求順利的達到石英震盪器 的共振頻率。
圖5-11 數位控制頻率電壓圖
5-5 程式控制介面
5-5-1 軟體介面控制參數功能
圖5-12 AFM 軟體程式控制介面
Set Current:
原先程式設定穿隧電流(比較電壓)，目前用於設定一個固定電壓讓AFM 系 統的回饋電路作用，此電壓可以依照影像的狀況隨時調整大小，以確認AFM 的 探針在一個適當的高度進行掃描。
Bias:
原先用於STM 系統給定樣品一個固定偏壓，因為 AFM 樣品不需導電即可 掃描，所以藉由程式呼叫電子電路設計中的微處理器給定一個固定的交流電壓訊 號傳送至低電壓壓電材料上，而達到石英震盪器的共振頻率。
PS:除了修針功能在AFM 系統上沒有需要，加以刪除以外，其餘程式介面上的 功能都與先前STM 程式介面控制的功能相同。
5-5-2 AFM 影像
圖5-13 利用自製 AFM 所掃描的 DVD 表面影像
上圖(圖5-13)為週期 600—700 奈米、高度 50—70 奈米的 DVD 溝槽初步影 像與高度的量測結果，以週期和溝槽高度而言是符合自製STM 機台與商用 AFM 機台所量測出來的結果，而表現出來的表面影像成果無法達成與自製STM 機台 所掃描出的圖像一般清晰，這其中的原因我們將再下一小節做討論與分析，並以 討論的結果加以改進與設計。
5-6 結果與討論
第四點:因為我們發覺當探針受到原子力影響而造成石英震盪器輸出的電壓振幅 被抑制的同時，此輸出的交流電壓頻率也會有相對的改變(圖5-14、
5-15)，利用此現象可以再額外設計一個以頻率改變作為回饋的回饋電 路，以補足單一以振幅改變回饋的回饋電路所遺漏的訊號，以求得更準 確的影像。
圖5-14 由石英震盪器輸出的交流電壓訊號，頻率:32.7835 kHZ
圖5-15 受抑制後的交流電壓訊號，頻率:28.9075 kHZ
第六章、結論
如同第一章所說的，在這一個新世代的科技產業當中，發展奈米科技以及 技術將是一個無可避免的趨勢，而有鑑於專業奈米機台的價格實在不是每一所大 專院校所可以負擔的，所以我們著手發展自製的掃描式穿隧電流顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)與原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)，
希望能為台灣的奈米教育及奈米技術發展進一份心力。在研究的過程當中也遇到
份，近程目標將先訂在讓簡易的AFM 系統可以正確的量測到奈米級表面影像，
再接著必須增加掃描範圍，因為就AFM 的需求與使用性而言，與 STM 系統相 同的掃描範圍並不足以滿足AFM 一般使用者的要求，所以增加最大掃描範圍也 是必要進行的工作。最後也希望依循著STM 機台的未來發展模式，逐步的將 AFM 機台發展成可供研究實驗用的專業機台。
以一般奈米領域的商用專業機台與教育儀器的價格而言，要在台灣的教育 經費有一定限制的情況下，普及給每一位對於這個領域有興趣的學生有機會親身 接觸並操作實在是一個有相當程度困難的理想，希望我們的研究方向能有助於改 善此現象，使得在科技領域進入下一個世代的時候，我們所擁有的量測工具或是 人才的教育方面在國際上仍可以有一定水準的競爭力。
參考文獻
[1] C. J. Chen. ,Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford, 1993.
[2] Israelachivili,J.N.,Intermolecular and Surface Forces,2nd ed.,Academic:New York,1992.
[3] G. Binning ,C. F. Quate, and Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett., 56, 930 ,1986.
[4] Y. Martin, C. C. Williams and H. K. Wickramasingghe, J. Appl. Phys., 61,4723,1987.
[5] Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller and V. B. Elings, Surf. Sci. Lett., 290, L688, 1993.
[6]Hal Edwards, Larry Taylor, and Walter Duncan J. Appl. Phys., Vol. 82, No. 3, 980 1997.
[7]楊肇嘉,Home made Scan Tunneling Microscope.,國立交通大學,碩士論 文,2007.
[8]郭融學,Probing Electronic structure of Au Nanoparticles by using LT-STM,國立交 通大學,碩士論文,2008.
[9]台灣晶技股份有限公司,產品規格型錄,技術支援.