4-1 加熱 Nb 線材的影響
使用尚未加熱退火過的 Nb 線材進行製作樣本後直接置入腔體進 行實驗。從以下 FIM 的圖 4-1-1 從 9000V 一路往上加到 13000V，可 以發現到圖中有許多黑的部分根本看不到原子辨別不出 Nb 的結構，
由 FIM 成像原理為較凸出的原子會優先成像，由此可以得知針尖表 面非常崎嶇不平。Nb tip 表面崎嶇不平如圖 4-1-2，而當電場往上加 時原本有原子的部分又會消失，推測可能是由於場蒸發的效應把較小 部分的晶粒拔掉以至於看不到原子。
(a)9000V (b)9500V
(c)10000V (d)10500V
(e)11000V (f)11500V
(g)12000V (h)13000V 圖4-1-1 Nb tip 9000V~13000V FIM圖
圖4-1-2 SEM 為加熱退火Nb tip圖
之後將 Nb 置入真空中加熱到 1273K，經過 72 小時後，可以從 圖 4-1-3 看出尚未加熱退火前的 Nb 線材的橫切面，鈮的顆粒之間間 隙比較大，而圖 4-1-4 為加熱退火過的線材鈮顆粒之間較為緊實。將 加熱退火過的現在拿去製作針尖後，可以從圖 4-1-5 看出表面比較光 滑比起尚未加熱退火過所製作的針尖崎嶇不平有很大的差異。
圖 4-1-3 未加熱退火 Nb 橫切面 圖 4-1-4 加熱退火 Nb 橫切面
圖4-1-5 SEM 加熱退火後Nb tip圖 4-2 去除 Nb tip 表層的氧化物
如何去除 Nb 表層的氧化物以下將介紹三種方式。第一種方法為利 用氧化還原的方法利用 0.1M 的 HCl 溶液，把樣本接在負極，利用負 電位把因為化學蝕刻吸附在上面的氧化物還原回去，此種方法比較不 易傷害針尖。從圖 4-2-1 可以看出陽極氧化層有薄薄的一層，而圖 4-2-2 還原過後明顯那層氧化層減少許多。利用化學蝕刻蝕刻出針尖 後放入腔體內，可以看見表面有許多的氧化物如圖 4-2-3，完全看不 見任何指數面。第二種方式我們利用場蒸發的方式，當在針尖施加高 場時表面的原子會受到場的作用，而離子化一層一層拔掉原子直到露 出乾淨的基底辨別其指數如圖 4-2-4。此種方法缺點是場蒸發會使針 越來越鈍必須要想辦法取得更尖的針尖，而太尖的針尖又有可能會因 為電場的作用直接扯斷其針尖，所以如何在做出一根適當針尖半徑的
針就極其重要。還有一種方法為浸泡 HF 也可以去除氧化物在此次實 驗中我並無試過此種方法。[40]
圖4-2-1 陽極氧化層SEM圖
圖4-2-2 陰極還原後SEM圖
圖4-2-3 許多氧化物的Nb tip
圖4-2-4 經過場蒸發乾淨基底的Nb tip 4-3 辨別 Nb 表面結構指數面
經過反覆場蒸發後得到一乾淨的基底，Niobium 是為體心立方
都是找出這最大的面之後再去判別剩下比較小的面，下圖 4-3-1 是 Nb 乾淨的基底圖。
(a)左上方 (b)左邊
(c)右上方 (d)右邊
(e)正中央 (f)正上方 圖4-3-1 Nb 以(110)為中心朝四周拍的基底圖
4-4 (100)面平台與擴張討論
在實驗進行中我們一律通入 Ne 為成像氣體，因為 He 氣解析度 隨然比較好，但是 He 的最佳成像電場比 Niobium 的最佳成像電場低 了許多，可能在還未看見 Nb 原子時就已經場蒸發掉了，因此選擇 Ne 氣。判別指數面之後接著開始對針尖反覆加熱觀察(100)面受到四 個{310}擠壓的情形。下圖 4-4-1 為找到(110)這個面後，往這個面的 垂直方向找我們能在左上方或右下方依序找到(100)面，可以看到左 上的能辨別出指數面，但是右下的部分卻無法清楚辨別出每個指數面 圖 4-4-2 於是選定左上方作為實驗觀察(100)被擠壓而成為一個平台的 對象。
圖4-4-1 (100)面左上方 圖4-4-2 (100)面左下方 當加熱到 1060K 我們可以看到(310)的四個面開始擠壓(100)，(100) 面開始變小如圖 4-4-3，此時我們將輸入的正高壓改成負高壓用 FIM
發射電子其餘的面也會發射電子。
圖4-4-3 加熱到1060K 圖4-4-4 FEM圖
之後再繼續往上加熱到 1144K，我們可以看到結構和上述的 1060K 並無相差多少如圖 4-4-5，而下面右圖 4-4-6 為 FEM 圖可以看 到受擠壓的面的功函數較低了比之前亮了許多。
圖4-4-5 加熱到1144K 圖4-4-6 FEM影像
之後再繼續往上加熱到 1319K，可以看到(100)受到 4 個{310}的面擠 壓而縮成一個類似四方型的形狀如圖 4-4-7 為一個(100)被擠壓皺化的 面，圖 4-4-8 為這根針所看見的另一個(100)面，跟之前所見到的同個 位置影像對比，發現到本來不容易辨別的指數面但經過加熱之後也形 成一個平台。轉到 FEM 模式觀察可以發現到(100)的面變得比之前更
小而且更亮明顯不像之前所見到的面那麼大如圖 4-4-9，圖 4-4-1 為令 一個(100)平台。由此可以知道這個面的功函數明顯比起其他面低了 許多。而圖 4-4-9 為從低溫往高溫加熱(100)平台皺化順序。
圖 4-4-7 加熱到 1319K 左上方(100) 圖 4-4-8 左上方(100)
圖 4-4-9 FEM 影像左上圖 4-4-10 FEM 影像右下方
(100)不只如上述所說的只會見到受到四個{310}擠壓而形成平 台，當加熱到超過 1473K 時，也可以見到(100)整個面擴張的情形如 下圖 4-4-12 可以明顯看出來不只有{310}四個面有擴張的情形連(100) 面也有擴張的情形出現，而當我們從 FEM 的方式觀測時可以看見(100) 不在發亮，可能是由於(100)面的擴張導致於他的功函數上升，其餘
場 的 效 應較 尖的地 方 會 先發 射出電 子 以 至於 看起來 比 較 亮 如 圖 4-4-13 所示。
圖4-4-11 低溫往高溫加熱(100)皺化圖
圖4-4-12 加熱超過1473K (100)擴張圖
圖4-4-13 FEM (100)擴張圖
有時會遇到錯面非常嚴重的針尖如圖 4-4-14，可以看到左上方的 錯面非常嚴重與下方的結構出現明顯的界線只可以辨別出(110)這個 最大面，其餘面幾乎無法辨別。此時可以嘗試長時間低溫加熱看有無 辦法修正錯面。此方法為利用提供針尖表面原子一移動動能，使得原 子朝向穩定方式堆疊，使得針尖表面趨近於光滑，或是利用場蒸發的 方式直接強制移除較為凸出且造成錯面的原子使得下方較為完整的 原子排列露出，這兩種方法都會傷害針尖使得針尖變鈍，使用時必須 非常小心。
如果在長針過程中已經加熱到 1273K 上下時依然無法成長出 (100)平台，可以嘗試瞬間加熱到高溫也可能成長出(100)平台的面如 4-4-15 為所見到的 FIM 圖 4-4-16 為 FEM 圖。圖 4-4-17 為整根針的 FEM 全景圖，可以發現到整個根針最亮的地方並不是(100)面，而是 受到 6 個(123)面擠壓而皺化的(111)面因為最尖也最容易場發射出電
圖4-4-14 錯面嚴重的針尖FIM像
圖4-4-15 FIM圖 圖4-4-16 FEM圖
(a)正下方 (b)左下方
(c)右方 (d)正中間
圖4-4-17瞬間加熱高溫後可見整根針FEM圖
4-5 Nb tip 不同加熱溫度電流穩定性比較
當成長出(100)平台面後，為了解這個面場發射出來的電流大小 利用法拉第杯量測為一個方法。如示意圖 4-5-1，對針尖提供一負高 壓後利用法拉第杯收集場發射出來的電子在經過 current preamplifier 後轉到示波器便得到的電壓對時間的波型，而 current preamplifier 有
都少電壓對應多少電流的檔位經過換算可以得出電流對時間關係圖。
此時如果需要一邊加熱針尖一邊場發射電子必須在 tip 上再加上一直 流電源供應器做為提供針尖熱能的裝置，此直流電源供應器可絕緣到 3000V，一般來說做 FEM 也不至於到達那麼高的電壓，為一良好的 絕緣。如圖 4-5-2 為架設直流電源供應器示意圖
圖4-5-1 電流量測示意圖
圖4-5-2 直流電源供應器圖
由於使用的線材為多晶鈮線，常常在成長出(100)面的平台時不 一定是在法拉第杯可以量測的地方，需要破真空把(100)面盡量轉到 正中間或折其ㄇ架調整其(100)面到正中央對準法拉第杯，本實驗室 的單原子針在破出真空後置於大氣下，再放回真空中反覆加熱也能夠 重新形成單原子針，而調整ㄇ架方向時順便驗證 Nb tip 是否具有此 一特性。圖 4-5-3 是在還沒折ㄇ架之前(100)面平台靠近上方的 FIM 圖，
圖 4-5-4 為破真空折完ㄇ架後再重新加熱依然存在 (100)面平台，也 有論文指出它為 NbO[25] ，由此推測因為他已經為氧化物了，即使 破到大氣中也不會在與氧形成化合導致於結構上的改變。
圖4-5-3 還未破真空前FIM圖
圖4-5-4 破真空加熱後 FIM圖
圖 4-5-5 為量測電流穩定時 FE 的像，可以見到不只有(100)的面在量 其他比較面有場發射電子的地方也會一起量測近來其電流大小大約 40nA，而圖 4-5-6 為量測 60minutes 後所見到的像可以發現到(100)比 起之前沒那麼亮電流值約為 10nA 可能是由於真空中殘餘氣體吸附在 針尖上，同時使得發射出來的電子數變少可以從電流穩定性圖 4-5-7 圖推測得知。
圖 4-5-5 FE 測量前像 圖 4-5-6 經過 1hr 之後的像
0 2000 4000
0 P=5.8x10-10torr
4-5-7 圖 電流對時間關係圖
然上升或下降。
圖 4-5-8 稜線較沒亮起 圖 4-5-9 (100)面變暗
0 500 1000 1500
20 P=6x10-10torr
圖 4-5-10 25K 電流對時間關係圖
從以上表格可以推測出一條電阻對溫度的方程式如下圖 4-5-11 再把量測到的電壓 0.11V，電流 0.31A 即可反推出溫度為 417K
0.56 0.64 0.72 0.80
900
圖 4-5-12 417K 電流對時間關係圖
圖4-5-13 (100)中間無法場發電子
圖 4-5-14 FIM圖
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0
此時我們將這根針場蒸發到基底後如圖 4-5-15，重新加熱是否能 再重新形成(100)的平台，經過一段時間的加熱如圖 4-5-16(100)的依 然無法場發射電子，此時有文獻指出是 NbO 的結構[11]。嘗試通入氧 氣後反覆加熱還是無法見到(100)平台的結構，偶而會出現(100)面會 發亮的結構圖 4-5-17，之後再經過反覆加熱還是會形成類似圖 4-5-13，
推測此結構或許為一個很不穩定的過渡態，當經過長時間加熱後還是 無法回到(100)的平台。
圖4-5-15 場蒸發至基底 FIM圖
圖4-5-17 曝氧加熱後FEM圖 4-6 Nb tip 不同吸附氣體電流穩定性比較
圖 4-6-1 為針尖溫度保持在 25K 時的電流穩定性圖，之後通入分別通 入 He 和 Ne 和 Ar 在針尖鋪附 1L 再依序測量電流穩定性， 如圖 4-6-2 為通入 He、圖 4-6-3 為通入 Ne，圖 4-6-4 為通入 Ar，可以發現到一 開始的電流都比無通入氣體的針尖小，可能一開始吸附在針尖上導致 電流變小了，而當場發一個小時以後，最後所得到的電流值都很接近 He 約 30pA、Ne 約 35pA 無吸附氣體約 30pA，可能是吸附在針尖上 的氣體分子逐漸減少，而改成真空中的殘餘氣體吸附才導致電流值越 來越接近，而當鋪覆 Ar 時可以看出電流變得比較小可能是此種氣體 的吸附比起其他惰性氣體還要強，以致於場發一段時間電流不易變 大。
圖 4-6-1 無吸附氣體量測 1hr 電流對時間關係圖
圖4-6-2 吸附He 1L量測1hr電流對時間關係圖