掃描穿隧式電子顯微鏡系統(STM system)

實驗室的掃描穿隧電子顯微鏡系統(型號：USM 1000 廠商：UNISOKU)。

圖 3.1 掃描穿隧電子顯微鏡系統

掃描穿隧式電子顯微鏡系統中進行的實驗都是處在超高真空環境底下，壓力大約 在 torr。

抽氣過程：先透過機械幫浦把腔體環境抽到 mbar，再開啟渦輪幫浦進到超 高真空環境。

蒸鍍槍：由實驗室自己製作的鍍槍，用來蒸鍍磁性材料(鐵、鈷、鎳、等等 )。

離子濺鍍槍：讓氬氣體離子化，轟擊樣品表面達到清理的效果、或者實驗上的需 求想要了解轟擊過後與沒轟擊之區別。

3.1.1 掃描原理

利用金屬探針(鎢)靠近至樣品表面約 1nm 左右時，我們在樣品加上偏壓，因 此產生穿隧電流(量子穿隧效應)，其電流值大約幾奈米安培(nm A)，藉由量此穿 隧電流的讀值以及在有回饋機制的情況下，可以使探針在選取的範圍內進行掃描 的動作。過程中 Z 軸方向的伸縮量和沿著 X、Y 軸來回掃描就能夠劃出樣品的表 面形貌圖形。如圖 3.2。

圖 3.2 掃描穿隧電子顯微鏡掃描工作流程圖

如圖 3.3 得知探針與樣品距離的微小變化，會造成穿隧電流很大的變化，距離變 化 0.1 奈米，穿隧電流變化可達到 10 倍之多。

3.1.2 儀器構造

針座

如圖 3.4，P2 與 P7 的 A 電極即是接收穿隧電流的地方，一者在針座鎖上針座台 的螺紋上、另一者在針座台的底部，透過電極與傳輸線連接到控制器，就能在電 腦上看見樣品的表面形貌。

圖 3.4 掃描穿隧電子顯微鏡真座構造

掃描平台

如圖 3.5，我們在樣品加上偏壓，再讓步進器進行進針的動作，探針就會開始慢 慢的接近樣品表面，直到量測到我們給定的穿隧電流值大小，步進器就會停止前 進，完成進針的工作。

圖 3.5 掃描穿隧電子顯微鏡掃描平台

線路架構

如圖 3.6[29]，線路配置主要連接於腔體背部與控制器、電腦，竟而形成一個掃 描的工作網。電腦輸出指令後透過數位訊號處理器(DSP)的轉換，再由放大電路 控制器(Amplifier circuit)的接線連接到腔體背部的電極，下達我們想要腔體內部 的工作。掃圖的時候也是一樣的，量測穿隧電流值透過線路傳回放大電路控制器，

再經由數位訊號處理器的轉換給電腦數據，就能得到樣品的表面結構圖形。

圖 3.6 掃描穿隧電子顯微鏡線路架構

圖 3.7 掃描穿隧電子顯微鏡電極配置表

3.1.3 操作流程

UNISOKU USM 1000 介面控制程式

圖 3.8 掃描穿隧電子顯微鏡介面控制程式

圖 3.9 掃描穿隧電子顯微鏡介面掃圖模式

圖 3.10 掃描穿隧電子顯微鏡介面示波器模式

3.1.4 實驗步驟

(1)（STM 主腔體準備與設置）

1.把彈簧桿子往後旋轉並確認掃描機台處於懸吊狀態 2.P1、P3、P4、P7 每個 Pin 角線路已接上

3.確認光學桌已在懸浮狀態

(2)（STM 控制器準備與開啟）

1.打開電腦

2.打開 STM 控制器(電源供應器部分)

3.當放大電路控制器指示燈(橘燈)消失之後再開啟數位訊號處理器(DSP)電源 4.開啟桌面上 STM 的軟體程式(Unisurface alpha)

(3)（軟體設置）