第一章 導論
1.3 相關文獻
1.3.3 探針脫附(Tip Desorption)
探針脫附是在 Si (100)上吸附 1ML 的 H，之後選定特定的區域，利用 Scanning Tunneling Microscopy :STM 的探針和樣品之間的電壓及穿隧電流的 改變，將此特定區域上的Ｈ脫附，最後再經由STM 掃描出脫附後的圖像。
由於探針脫附對於Ｈ脫附面積的大小、效率都有很高的影響力。所以如 何控制脫附的電壓和電流來產生所需要Ｈ脫附的範圍和效率，是一件很重要 的實驗步驟。
Shen 和 Avouris [8] 兩人就對了此問題作了一系列的研究。首先他們發現 在Vtip= -6V 以下時，H 脫附的量是微乎其微的。而 Vtip= -6V~ -8V 時，H 脫附 的量是與Vtip的負號成反比的。到了Vtip= -8V 以上時，H 脫附的量就成定值 了。此數據給了我們選擇Vtip大小的方向，讓我們知道Vtip工作效率最好的範 圍 (Vtip = -6V~ -8V)，也避免了選擇 Vtip過大時對探針和樣品不必要的傷害。
另外他們還作了一個實驗，分別用Vtip= -7V、I= 0.1nA 和 Vtip= -4V、I= 4nA 脫附一條直線，其中前者的線寬是3.6 nm，後者是 2.4 nm。但是由於 Vtip、I 均改變了，所以並無法給我們有力的證據，證明Vtip和I 對脫附寬度的關係。
另外還有一件值得一提的事，就是針的處理。由於讓 H 脫附的條件必須 是Vtip為負值，讓針放出電子去將H 和 Si 之間的鍵打斷，使 H 脫附出來。但 是此方法卻更容易讓附著在針上面的雜質被打到樣品表面而形成bump。因此 就脫附H 而言，針的處理是非常重要的。
然而本實驗室有三種清理探針的方法：第一種方法是利用電子直接去打 樣品，讓探針上的雜質因而去除。第二種方法是使用大範圍的掃描模式，讓 針清理乾淨。最後一種方法是用氬氣轟擊針的表面使上面的雜質去除。
1.4 本文概要與主要結果
第二章 實驗儀器與原理
其中機械式幫浦必須使用潤滑油來潤滑幫浦內部機械構造，但由於真空腔內 部與外界大氣的壓力差所致，使得機械式幫浦的油蒸氣容易回流至主真空腔 內部，因而造成污染，為了避免這類問題的發生，我們抽真空所選用的前級 幫浦，通常是乾式幫浦 ( Dry vacuum pump ) 。
圖2.1.1 本實驗真空系統 (1) STM 加熱控制器 (2) STM 單元控制器 (3) STM 電腦工作站 (4) CCD camera 顯示器 (5) 示波器 (6) CCD camera (7) STM chamber (8) Main chamber (9) 鈦昇華幫浦與鈦 昇華幫浦控制器 (10) 離子幫浦與離子幫浦控制器 (11) 離子真 空計。
真空系統開始粗抽時，當前級幫浦將真空腔內部氣壓抽至10-3 torr 附近，
我們即可啟動渦輪旋轉幫浦，在渦輪旋轉幫浦抽氣約 4 小時至 6 小時後，真 空腔內部氣壓即停留在10-7 torr附近不再下降。此時我們必須烘烤 ( baking ) 主真空腔，烘烤的目的是為了讓附著在主真空腔內壁的水氣及其他氣體，經 由加熱而被趕離腔壁。在剛開始烘烤時，由於在主真空腔內壁的水氣和其他 氣體含量很大，所以氣壓會上升很快，因此在前 2 小時至 4 小時內，只須把 烘烤溫度加至60 ℃ 至70 ℃ 附近即可，同時也將離子幫浦啟動，以幫助真空 腔內部氣壓之下降。之後就可以將主真空腔均勻的加熱到 100 ℃ 至 120℃，
此時即可把渦輪旋轉幫浦關閉。將真空腔保持在此溫度下必須超過24 小時，
最後在記錄離子幫浦控制器的離子電流經過 8 小時不再大幅度改變後，即可 停止烘烤，讓真空腔慢慢的冷卻24 小時，同時並配合鈦昇華幫浦幫助氣壓下 降，本實驗裝置，主真空腔系統內部氣壓約可降至2 × 10-１０torr附近。
本實驗真空幫浦介紹 (1) 機械幫浦：工作範圍為 1 atm至 10-3 torr，原理 為利用進氣→壓縮→隔絕→排氣的順序將氣體排出。 (2) 旋轉渦輪幫浦：工 作範圍為10-2 torr至 10-9 torr，原理為利用氣體分子打到高速旋轉運動的葉片相 互碰撞作用下，使原本任意方向運動的氣體分子，朝同一個方向運動而被排 出真空腔外。 (3) 離子幫浦：工作範圍為 10-3 torr至 10-11 torr，此為儲氣式幫 浦，主要是將氣體分子吸附在幫浦內部，藉以降低主真空腔內部之氣壓。 (4) 鈦昇華幫浦：其主要工作範圍為10-4 torr以下，其原理是利用電流將鈦絲加熱，
使其昇華並附著於腔壁上，利用鈦活性強的原理，使其與一些活性氣體反應 形成固體化合物，而使得主真空腔內部的氣壓下降。[9]
2.2 掃描穿隧顯微術 ( Scanning Tunneling Microscopy：
V(z)為穿隧電子所面臨之位能障壘能量，w 為樣品和 STM 探針之針端的
穿過位能障壘的電子波機率為T，可定義為穿過位能障壘的電子流除以入
2.2.2 STM 細部結構
為了要有效的產生穿隧電流效應，樣品與探針的距離就必須非常的接 近，大約是在10 Å 以內。所以如何在這麼小的距離中，還能將探針位置控制 好，這是很重要的。因此在STM 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表面。如圖 2.2.2.1 所示，當在探針與樣品之間加入偏壓 ( Bias )，就會產生穿隧電流。
圖 2.2.2.1 STM 操縱原理示意圖
STM操作原理是由使用者先行將偏壓 ( Bias ) 及回饋電流 ( Feedback current ) 設定好，一般而言，偏壓的設定大約是Vbais = ± 2.8 伏特附近，而回 饋電流大多是設定在 Ifeedback = 0.2 ~ 0.3 nA ( nano Ampere ) 左右。探針在樣品 表面上的某一個位置，量到一穿隧電流，當此電流比回饋電流來的小時，系 統會自動加大偏壓在壓電材料上，使探針更接近樣品，反之，壓電材料上的 偏壓會減小，探針就會遠離樣品。以上動作不斷重複，直到穿隧電流和回饋 電流相同時，系統即記錄此時的位置，探針再移到下一個位置，重複以上的 過程。將所有的位置集合起來，就是STM所掃描出的樣品表面結構。
2.3 探針製作與樣品準備及溫度量測
2.3.1 探針製作
使用掃描穿隧顯微鏡時，由於所掃描出的圖像解析度非常高，因此探針 在此時就扮演著非常重要的角色。探針的尖端必須是只有幾個原子的大小，
探針依其製作方法的不同，可區分為DC tip 及 AC tip 兩種，而這兩種探針有 著不同的特性。
本 實 驗 使 用DC tip，製作探針所使用的材料是純度 99.99% 的鎢線 ( Tungsten )。首先將直徑 0.38 mm的鎢線截成約 6 mm的長度，並將鎢線與直 流電源正極相接，另一負極與不鏽鋼環連接，並且將兩者完全沒入重量百分 率濃度為10%的氫氧化鈉溶液NaOH
(aq)
中，先通以 15 伏特的直流電壓約 3~5 秒，使得鎢線表面的氧化保護層被去除，其裝置如圖 2.3.1.1 所示。另將不鏽 鋼線繞成一直徑約3 cm 的圓環，並置於液體表面，將鎢線由圓環中心點放入 至液面下約1~2 mm處。之後通以 7 伏特之直流電約 25 分鐘，即可放置在一 般放大數十倍的光學顯微鏡下，用肉眼看到如圖2.3.1.2 的探針影像。圖 2.3.1.1 製作 DC tip 裝置圖 圖 2.3.1.2 DC tip 形狀圖
2.3.2 樣品準備
本實驗所使用的樣品為1 mm × 8 mm 的 Si(100)-2×1，在放入真空腔系統 之前，須先用高壓氮氣，將樣品表面上的雜質噴除，以達到第一步粗略的清 潔。在準備使用樣品前，亦需先加熱樣品架 ( Sample holder )，如圖 2.3.2.1 所 示，使得Sample holder 上的雜質因受熱而脫附。在 Sample holder 背後緊連著 一串燈絲，將燈絲通以電流I = 1.5 安培之直流電源，此時電壓為 7 伏特、功 率約為10 瓦特，即可加熱 Sample holder，時間大約是 4 小時至 6 小時。
接著將交流電源 300 mA直接通過樣品，將樣品加熱到約至 700℃ 至 800℃，使樣品表面的雜質熱脫附掉，此步驟約需 12 小時以上。接下來就是 樣品Flash的步驟，所謂Flash就是將樣品通過I = 3.9 安培之直流電持續約 10 秒 二次，使樣品溫度高達 1250℃，而使得表面的雜質和氧化層被去除掉，之後 即可得到乾淨的Si(100)-2×1 表面。在每次Flash後，必須等到氣壓降至 5 × 10-10 torr以下時，方可繼續進行下一次的Flash。以後每次使用這個Sample實驗時，
只需將樣品Flash 10 秒一次即可。此步驟可使得Sample的表面較為平坦，而且 Defect也較少，Sample的平均使用壽命，大約可重覆Flash三次至五次。
圖 2.3.2.1 STM sample holder 示意圖
2.3.3 溫度量測
本實驗樣品溫度之量測，首先我們使得真空腔系統內部的基本氣壓維持 在5 × 10-8 torr附近，接著我們使用熱偶計 ( Thermocouple ) 直接將它接觸於 1 mm × 8 mm的Si(100)-2×1 樣品表面上，再以外加電流的方式來加熱樣品，因 Si半導體樣品高電阻 ( 1 KΩ 至 50 KΩ ) 的特性而產生高溫，最後量測通以電 流加熱樣品時的溫度。
經我們對樣品通以交流電源及直流電源實驗，實驗數據顯示兩個種類不 同的電源在樣品表面上所產生的功率 ( P = IV ) 大致相同，另外通以電流加熱 樣品方式如採行慢慢加大電流或瞬間加大電流，樣品表面上所產生的功率 ( P
= IV ) 亦大致相同，圖 2.3.3.1 為我們對樣品兩端通以交流電源之電流，所得 到的樣品電流與溫度關係圖。
圖 2.3.3.1 加熱樣品電流與樣品表面溫度關係圖
另因本實驗亦常須以電流來加熱處理樣品表面，於是我們亦想了解樣品 在真空腔系統內部加熱後，其溫度冷卻的速率快慢及時間長短，所以我們亦 使得真空腔系統內部的基本氣壓維持在 5 × 10-8 torr附近，然後使用熱偶計 ( Thermocouple ) 直接將它接觸於 1 mm × 8 mm的Si(100)-2×1 樣品表面上，以 外加交流電源500 mA、1 min來加熱樣品，然後即時關閉交流電源，每間隔 2 min記錄樣品溫度一次，得到樣品表面的下降溫度與時間關係，如圖 2.3.3.2 所 示。由圖2.3.3.2，我們可以了解加熱樣品關閉交流電源後 3 min內，樣品表面 的溫度即可迅速下降至150℃附近，大約再經過 30 min至 50 min的冷卻，樣品 表面的溫度即可回復至室溫附近。
圖 2.3.3.2 樣品冷卻溫度與時間關係圖
2.4 實驗曝氣方法
2.5 探針脫附的實驗方法
在做針脫附實驗時，所使用的樣品是由Si(100)-2×1 上曝滿 1 ML的氫原 子。之後將偏壓加到STM上，使Vtip= -6 ~ -8 volt、改變回饋電流和掃描速度，
即可使得Si、H之間的鍵結，受到外來電子能量而遭受到破壞，此時氫原子會 結合成氫分子而脫附。
就Tucker 等人 [12] 的研究表示，針脫附時的線寬 ( linewidth )與 sample bais 是成正比的，如圖 2.5.1 所示。當回饋電流設為 0.1nA 時，所加的
圖2.5.1 sample bais 與 linewidth 的關係圖[12]
偏壓從 Vtip= -5.5 volt ~ Vtip= -8 volt，線寬就會有 20 Å~ 80Å的線性變化。
在本實驗所使用的，是實驗軟體中的 ”nanostruture”功能，將我們所需探 針的移動位置、速度、偏壓和穿隧電流輸入程式中，當我們找到所需區域，
只需執行該程式，即可得到我們要的圖像，如圖 2.5.2(a)。在實驗時，我們所
只需執行該程式，即可得到我們要的圖像，如圖 2.5.2(a)。在實驗時，我們所