第二章 實驗儀器與原理
2.2 掃描穿隧顯微鏡( Scanning Tunneling Microscopy：STM )
圖2.4：在寬度為 w，能量為 V0的位能井上波函數示意圖。
再將t=w 時，波函數及波函數一次微分的連續性的關係代入(2.3)，可得(2.5)：
2.2.2 STM 細部結構
穿隧電流的產生是因為探針的尖端與金屬表面電子的波函數重疊後，加一高 電場誘發電子穿越電位障，而進入古典禁止區，這是一種量子的自然現象，無法 以古典觀點加以解釋。先決的條件需兩者接近電子波函數可以重疊的距離，這個 距離約為5 Å 左右。穿隧電流與這個距離的關係成指數函數而遞減的，大略地說，
當距離增加一個 Å，穿隧電流約減為原來的十分之一。探針在金屬表面掃瞄時，
若穿隧電流為-一定，記錄探針尖端的高低位置，其圖形正是該金屬表面的形態。
所以在掃描頭(scanner)上，其材料是選用壓電 ( Piezoelectric ) 材料。Scanner 上的探針會隨著電壓的大小而接近或遠離樣品。如圖2.5，當在探針與樣品之間加 入偏壓，就會產生穿隧電流。
圖2.5 掃描頭的示意圖
圖2.6 掃描頭功能說明的簡圖。形如三角架的壓電裝置，是控制探針移動的中樞，
在貝爾實驗室所架設的掃瞄式穿隧顯微鏡，其壓電三角架可使探針在樣品表面產 生最大的位移為1000 Å(指 XY 方向)，移動的距離的控制可精確在 0.1 Å 內，而探 針的最大的掃瞄速率為1000 Å/sec，因此在數分鐘內可掃瞄 100 Å2的面積。
圖2.6 掃描式穿隧顯微鏡功能說明簡圖
探針垂直於金屬表面的移動是由一個回授積體電路加以控制，以便探針掃瞄 時 得 以 維 持 恆 定 之 穿 隧 電 流 。 簡 單 說 來 ， 是 由 使 用 者 先 將 偏 壓 和 回 饋 電 流 ( Feedback current )設定好；一般而言，偏壓的設定大約是 Vbais = ±2.2 V 左右，而 回饋電流大多是設在 Ifeedback = 0.2~0.3 nA ( nano Ampere )左右。若樣品表面突出，
則穿隧電流過大，與參考電流比較後將產生差誤電壓，壓電材料上的偏壓會減小，
探針就會遠離樣品；反之，當此電流比回饋電流來的小時，系統會自動加大壓電 材料上的偏壓，則差誤信號逼使探針更接近樣品，因此得以記錄樣品表面的形態。
由於穿隧電流對探針與樣品表面的間隙大小非常的敏感，當探尖只有數個原 子時，其鑑別能力可達原子的大小，橫向的鑑別距離約為2 至 3 Å，縱向鑑別能力 更可好至0.1 Å 以內。至於穿隧電流大小，也是個很好的參考資料，當探針與樣品 之距離為5 Å 而加於其間之偏壓為數十毫伏時，穿隧電流是在 10-9安培數量級中。
以上動作不斷重複，直到穿隧電流和回饋電流相同時，記錄此時的位置，探針再 一到下一個位置重複以上的過程。將所有的位置集合起來，就是STM 所掃描出的