我們將乾淨表面的石墨基板加熱後，再將溶有硒化鉛奈米顆粒的甲苯溶液 滴於其上，使顆粒在基板表面進行自組裝的行為，並繼續以鹵素燈曝照約2 小 時。樣品準備完成後，使用原子力顯微鏡(AFM)觀察樣品表面上奈米顆粒所成長 出的形貌，並且以軟體分析之。本章將先對我們所採用的樣品及基板作一簡介，
接著再介紹主要的量測儀器—原子力顯微鏡，最後說明實驗的步驟。
3-1 樣品
硒化鉛(PbSe)量子點
一般我們將100 奈米以下的顆粒稱為量子點(quantum dot)，嚴格來說，量子 點是指在任何一個空間維度下，尺寸小於其費米波長λF = 2π / kF，使得該顆粒出 現明顯的量子侷限效應(quantum confinement effect)。硒化鉛量子點是一種屬於四 -六族的半導體材料，其窄能隙的特性被認為在光學及太陽能電池的應用方面有 極大的潛力[20][21]。
我們實驗室所使用的硒化鉛奈 米顆粒直徑約為10奈米，在化學製備 的過程中，使得顆粒外部包覆著一層 由三辛基膦(trioctylphosphine, TOP) 和油酸(oleic acid)所構成的有機層，
稱之為保護基(capping agent)，其所佔
的重量百分比為10%[22]。乾燥的硒 硒化鉛顆粒之甲苯溶液
圖3-1
化鉛顆粒呈黑色粉末狀，原本裝於膠囊當中，我們將之刮出少許溶於甲苯當中，
溶液呈現褐色，濃度越濃，褐色越深。已調配好的的溶液有可能因為放置過久而 揮發殆盡，此時可以在瓶壁發現黑色的附著物，若再以甲苯將之溶解，則此樣品 溶液可以繼續再使用。
石墨基板
石墨(graphite)是由一層一層的片狀結構所堆疊而成[23][24]，而在單一層 中，一顆顆的碳原子構成六角形蜂窩狀，兩原子間的最近距離為 1.42 埃，層與 層之間的作用力為凡得瓦力，距離為 3.35 埃。在表面物理的研究當中，石墨是 常被用來當作基板的材料，因為它的表面具有原子級的平整度，並且只需要用膠 帶將其表層撕除即可得到乾淨的表面以供實驗。而石墨表面特殊的地貌特徵也有 助於地點的辨認，使我們可以研究顆粒在其表面的動態行為。一般用於實驗的石 墨稱為高取向熱解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG)，是將石墨在高 壓的環境下經過高溫退火處理後所得到，具有近乎理想的石墨結構。在商業上，
HOPG 的等級是以 X 射線結晶法(X-ray crystallography)所得到的散亂度(Mosaic Spread)來判斷，散亂度越低表示其結構越接近單晶，因此等級也越高。
我們所使用的石墨基板為中等等級之HOPG，散亂度為 0.8∘± 0.2∘，厚度 約1 ~ 2 毫米，隨使用次數增加而越來越薄，面積約為 1 × 1 平方公分。為方便 取用，我們以銀膠將其黏在比其面積稍大的鋁片上，鋁片厚度約1 毫米並且經銑 床加工平整。使用時，我們使用3M 膠帶將舊的表面撕除，並且盡量使其表面沒 有掀起的小片，以免妨礙原子力顯微鏡的掃描。
3-2 儀器—原子力顯微鏡
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscpoe, AFM)可說是掃描穿隧電流顯微鏡
(Scanning Tunneling Microscope, STM)的衍生物[25]，STM 的發明人 G. Binnig 等 人為了解決樣品必須能導電的限制，於1986 年以類似的原理所發展出來。和 STM 所不同的地方在於偵測樣品表面的方式由穿隧電流改為探針和樣品表面之間的 作用力，因此即使為非導體亦可探知其表面的起伏。但是也由於探針-樣品之間 的作用力為長程力，使得探針上所有的原子皆會參與影響，比起可極限到單原子 穿隧的STM，其解析度稍稍不如，但目前 AFM 的技術也已經發展到可以解析出 原子的影像。
AFM構造如圖 3-2，由壓電陶瓷管(piezotube)所構成的掃描器(scanner)是 AFM最主要的部份，壓電材料根據加諸於其兩端的電位差而伸縮長度的現象稱 為壓電效應(piezoelectric effect)，而每伏特伸縮的長度僅僅數埃，根據此效應使 得AFM能達到奈米級的解析度。懸臂和探針的材料為矽或氮化矽(Si3N4)，懸臂之 彈性係數為10-2 ~ 102 N/m，如此才可以偵測出探針和樣品之間微小的作用力。
當探針和樣品靠近時，相互之間的作用力使得懸臂產生上下的起伏。利用光槓桿 的原理，將雷射光經由懸臂反射至光二極體，便可將訊號輸出給電腦並且回授給 掃瞄器。掃描器帶動樣品(或探針)使得探針在樣品上來回掃描，當遇到地貌的起 伏時，便將訊號回授給掃瞄器使得探針和樣品表面維持固定的距離，而此訊號同
圖3-2 AFM 系統示意圖
時也輸入電腦而描繪出樣品表面的地貌。
根據作用力的不同，如圖3-3，我們將掃瞄模式分為接觸式(contact mode) 和輕敲式(tapping mode)。接觸式是在斥力區的範圍，探針和樣品的距離已經在 最低位能的距離以內，在巨觀上已經代表兩物體相互接觸。由於接觸式的距離如 此的接近，因此在掃描時樣品的表面容易受到探針的影響而改變原本的形貌，最 常出現的現象就是樣品表面的顆粒受到探針的引曳而在畫面上出現一道道的橫 紋。但是另一方面，在斥力區些微的距離變化即會導致作用力大幅度變化，因此 接觸式的解析度會比輕敲式來的高。輕敲式主要是操作在引力區的範圍，探針距 離樣品表面稍遠，利用壓電陶瓷使其快速的震盪，而震盪的頻率會因為探針和樣 品間距離的改變而不同，因此可以用來偵測地貌的變化。剛好和接觸式的特性相 反，輕敲式較不會影響樣品表面，但是解析度也較差。
圖3-3 樣品與探針之間作用力關係圖
我們實驗室所使用的機台是日本SEIKO Instruments Inc.(SII)所製造的
SPA- 行磁
3-3 實驗步驟
. 加熱基板
石墨基板以3M 膠帶撕出一面平整的表面，再放置到鹵素燈下 方之
300HV，它同時具有STM和AFM的功能，若使用磁力探針，也可以進 力顯微鏡(Magnetic Force Microscope, MFM)的量測。掃描器的掃瞄範圍有 20 微 米和150 微米兩種，可依使用需求而自行更換。腔體可以渦輪分子幫浦抽至高真 空約10-6 torr，整個腔體以氣墊桌使其隔絕外界的震動。樣品載台可進行溫度控 制，可加熱升溫亦可使用液態氮降溫。
圖3-5 SPA-300HV
我們首先將
加熱座加熱，鹵素燈的功率是500W。周圍以鋁箔包覆以隔絕外界環境對溫 1
度的干擾並且防止落塵。我們事先以K Type(鎳鉻-鋁鎳)的熱電偶量測出燈與基
發現此現象，則可同樣以曝照鹵素燈的方法去除樣品表面的水氣。
4. 以 AFM 量測
製作好的樣品以AFM 觀察顆粒所成長出的圖形。為避免樣品表面受到破 ping mode 的掃瞄模式，並且先以 10 ~ 15 平方微米的掃描 範圍觀察大範圍的分布情形
行發展的影像處理程式NIP (Nano Image Processor)分析 軟體可以對多種SPM 及 SEM 的圖形檔進行影像處理，並且可 以算出
壞，通常會先使用tap
，再以5 平方微米的大小為標準的掃瞄範圍掃出各種 不同覆蓋度的成長情形。在樣品不會被探針影響的情況下，亦會使用contact mode 的掃瞄模式以得出較清晰的圖形。掃描的格點為512 × 512 點。
5. 分析圖形
我們以實驗室所自 所得到的圖形。該
島嶼的覆蓋面積以及島嶼的數量密度。