樣品製備分成三個步驟，一.多晶線材的熱處理；二.電化學蝕 刻；三.退火與場蒸發清潔。如此得到整齊排列的樣品表面。
3-1 多晶線材的熱處理
多晶線材製作方式多採取冷凝拉製的方式，方法為先將金屬融成 液態後於底部有一細孔之容器內函壓將液態金屬擠出成線狀，並以冷 卻水作為降溫的旋轉環形容器或低溫滾輪將線狀液態金屬冷凝拉 製，如圖 3-1.。此製程簡易便宜，但線材因拉抽與淬火造成晶格結構 有錯位且晶粒較小，故需以長時間退火之方式使金屬線再次結晶。熱 處理過後之線材除晶粒變大外，也去除了金屬內其他雜質，晶格結構 較為完整穩固，以提高實驗中樣品對電場的耐受度。此熱處理方式於 多晶線材鎢[47]、鉭[48]、鎳[49]樣品改善晶粒結構與電場耐受性已有 研究成果。本實驗使用鈮線為純度 99.99%，線徑 0.127mm，未熱處 理之線材蝕刻的鈮針於第四章第一節將呈現實驗結果。而熱處理條件 為超高真空中(10-8~10-9 torr.)下，以 900℃~1000℃溫度函熱 20 小時以 上，且熱處理線材僅取中段部分，去除兩端各 1/8 倍的全長長度，因 兩端與裝置接點較近，不易達成欲函熱之溫度。
圖 3-1.多晶線材冷凝拉製法示意圖[35]
3-2 線材蝕刻
為配合沙凡針座的裝置，鈮線需點焊於ㄇ型針架上，其針架為線 徑 0.1mm，長度 4cm 的鎢線用攝子折成三邊長度各為 1.2 ㎝，1.3 ㎝ 及 1.5 ㎝的ㄇ形針架，所需之鈮線(0.5~1.0cm)點焊於中央，如圖 3-2.
所示。點焊完再泡入丙酮、酒精以超音波震盪各 2 次，每次五分鐘清 潔後，即可開始蝕刻。
圖 3-2. 針架示意圖。
鈮針的蝕刻於 5M 的 KOH 水溶液中做電化學氧化還原蝕刻，最 後使用脈衝波形電位蝕刻法[52]將針蝕尖，裝置如圖 3-3 所示，陰極
為石墨碳棒，陽極為鈮針架。蝕刻步驟分成三個階段，如圖 3-4 所示，
分為頸化、修細、蝕斷。頸化過程使用交流電源供應器設定在 15V，
因接近液面的部份蝕刻速率較快，該區將使線材頸化，當鈮線頸化到 一定程度後，將頸化的部分浸入液面下以交流電壓 2~10V 的供給將 液面下的部分修細，此步驟目的除了修細頸化區段外，也將頸化下方 的線材減到最少，使第三步驟斷針時減少因重力拉扯造成的晶格結構 錯位。當修細到頸化部分在顯微鏡下幾不可見的狀態時，使用脈衝波 型電位蝕刻法[52]蝕斷，以鈮針為陽極，石墨炭棒為陰極，使用波型 產生 器輸 出連 續方 波(設定 參數 為 1Hz，DC offset=0.35~0.40V，
duty=99.5%、Vpp=2.6~3.3vpp。如圖 3-5)，直到頸化部分恰蝕斷時停 止 輸出 方 波 。 蝕 刻完 成 之 鈮 針可 於 掃 描 式電 子 顯 微 鏡 (Scanning Electron Microscope，SEM)觀察針型，其針尖曲率半徑可達數十奈 米至數奈米等級的針尖，如圖 3-6。
圖 3-3. 蝕刻裝置示意圖。
圖 3-4.蝕刻三個步驟分別為頸化、修細、蝕斷。
圖 3-5.(a)在斷針下的氧化電位 (b)在斷針參數下的還原電位
(c)蝕斷步驟時的方波波型圖(由中研院物理所張維哲博士提供)
圖 3-5.(a)經過電化學氧化還原蝕刻步驟後，於 SEM 觀察針型可見針尖曲率約十 幾奈米[3-4](b)針尖曲率半徑可達數奈米等級[51]
3-3 退火與場蒸發清潔
蝕刻完成之鈮針於超高真空腔體中需以 500~600℃釋氣數十分
鐘，再以 650~800℃退火讓表面晶格結構排列完整與場蒸發的方式撥 除雜亂排列的原子與其他化合物，反覆退火與場蒸發後可得排列整齊 的球型表面，如圖 3-6。再依體心立方的立體投影圖(圖 3-7)可找出個 密勒指數面的相對位置，體心立方結構的多晶鈮線最顯而易見的是常 出現在中央位置的最大面{110}指數面，其為二重對稱結構。其周遭 可尋找兩個四重對稱的{100}指數面，與兩個三重對稱的{111}指數 面，由三個一維通道面形式的{211}指數面凿圍一個{111}指數面，
和，其它高指數面可藉由上述的面確認後，依相對位置逐個判斷，當 找到欲觀察的指數面後即可進行實驗。
(a) (b)
圖 3-6.(a)(b)鈮針反覆退火與場蒸發後可清潔出體心立方排列的球型結構。
圖 3-7. (a)體心立方結構之半球體各切面之立體投影圖。[35]
圖 3-7.(b)體心立方半球形結構於 FIM 顯像之理論圖。可配合(a)圖觀察。[35]
3-4 晶面分佈繪製
樣品於場離子模式下取得的晶面影像，可配合軟體(JCrystal、
KrystalShaper )將樣品觀察到的晶面繪製，並展延整個晶面族顯示在 理論位置上。依晶體的對稱性關係，可僅取得樣品針頂表面上，部份 的晶面影像來推得完整的針頂半球表面晶面分佈。
軟體操作使用 KrystalShaper 介面說明，如圖 3-8.(a)，於介面左上 方選定欲繪製的晶系和其晶軸關係與晶軸角關係後可在(H K L)欄位 輸入欲顯示的晶面，圖中以藍色顯示了{111}晶面族的分佈關係，並
在 Add a Face or Form 視窗中預定以紅色顯示{100}晶面族。圖 3-8.(b) 展示了{111}、{100}兩個晶面族的分佈關係，欲增函新的晶面族即依 上述步驟函入。調整晶面面積的顯示比例可在 Distance 欄位更動，其 數值意義為該晶面對晶體座標系原點的距離，如圖 3-8(c)為例，將(010) 晶面對原點的距離由 1 增函至 1.5 後，可見(010)晶面的顯示面積縮 小，並連動(010)周圍的晶面面積擴大，反之如需調大(010)晶面面積，
則調小其對原點的距離數值。取得實驗結果後，依上述方式繪製晶面 圖，並以晶體對稱關係展延出完整表面分佈，再調整面積比例逐漸匹 配實驗結果，即完成樣品表面的晶面分佈圖。
圖 3-8.(a)顯示{111}晶面族的分佈情況
圖 3-8.(b)增函{100}晶面族後的分佈情況。
圖 3-8.(c)改變(010)對原點的顯示距離即可調整其顯示面積。