第二章 實驗儀器操作與原理
2.1 真空系統
2.1.2 真空元件介紹
) 真空腔(Vacuum chamber)：此超高真空系統腔體的材質為不銹鋼，其真 空狀態的維持是先由機械幫浦粗抽約 10-3 torr，再由渦輪幫浦抽氣達 鈦昇華幫浦(Titanium sublimation pump)：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，令其昇華並附著於腔壁上，
2
unneling current density) 可表示為：
.2 掃瞄穿遂電子顯微術(Scanning tunneling microscopy: STM)
儀器原理
圖 2.2.1.3 位能障礙寬度與穿隧電流關係圖。
2.2.1 STM 細部結構和影像擷取概述
描穿隧顯微鏡的主要組成包括：掃描頭、探針、樣品台、步進器、
避震裝置、電子及控制系統，如圖2.2.2.1 所示：
掃
圖2.2.2.1 STM 簡圖：(1)壓電管(掃描頭)；(2)探針；(3)樣品和樣品台；(4)STM 影像(電腦)；(5)回饋電路。
(1) 掃描頭(Scanner)：STM 能精準地控制探針的上下及左右掃描，應歸功於 一種特殊材料－壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)，壓電陶瓷是一種會隨 著電壓變化而僅微小改變長度(或厚度)的材質，它可用來建構 STM 的 掃描頭，分別控制 x、y、z 三個互相垂直的軸，而金屬針就位於 z 軸上。
進行掃描時，施加電壓在 x、y 軸，可驅動金屬探針在樣品表面連續來 回掃描；同時施加電壓於 z 軸，使之隨著回饋電路，
僅結構堅硬，用普通電壓源即可提供小於 1 Å 的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。經過這些年的發
(2)
調整當穿隧電流高 於設定值，z 軸後縮使穿隧電流減少；若低於設定值則伸長。壓電材料 (Piezoelectric materials)不
展，目前最普遍的模式是以壓電陶瓷管鍍上金屬，然後在外壁均分為四 極做平行於樣品表面(x 和 y 方向)的掃描；內壁相對於外壁做探針及樣 品間距(z 方向)的調變。掃描的範圍是由陶瓷管的長度、管壁的厚度、
管徑及所加電壓的大小來決定，一般都可達幾個 μm。掃描頭前端可接 探針或樣品。
探針(Tip)：一般都是用 0.38 mm 的鎢絲(Tungsten)，以電化學的方法，
在 NaOH 溶液中腐蝕，針尖的直徑大都在幾百個 Å 的範圍。具高解析 (Stepper motor)、尺蠖(Inchworm)式及滑動(Slip-stick)式等。
避震裝置(Vibration isolation)：為了維持穩定的電子穿隧間距，不同頻率
(6) 邏輯放大器(Logarithmic amplifier)：如 2.2.1 節的原理得知，穿遂電流密
電子及控制系統(Electronics and controller)：該部分含回饋電路及電腦介 面，如圖 2.2.2.4 所示。回饋電路的主要目的是以差分放大器(Differenti amplifier)來驅動
電子穿隧間距。電腦介面主要是以多個數位／類比
轉換器，連通電腦以控制操作的流程。目前，因為電腦功能的增 控制系統有愈趨數位化的傾向，使儀器的操作更簡單
儲存及處理更方便。
圖 2.2.2.4 STM 回饋線路簡圖。
(8) 電腦(Computer)：電腦的功能在執行控制、協調、運算、及即時顯像等；
其後續之功能則在影像儲存、分析、及處理方面。
STM 擷取影像的工作模式可分為三種型態：
(1) 定電流取像法(Co 的穿隧電流(約 1nA)
為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關
使穿隧電流維持 固定值，如圖 2.2.2.5 所示；因此，以探針的高度變化來成像，就反映
(2)
能太大，否則極容易損壞探針。
nstant current mode)：該法是以設定
係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。當探針在樣品表面 掃描時，探針必須隨表面之起伏調整其高度(即 z 值)，
出樣品表面的形貌。
定高度取像法(Constant height mode)：該法乃是直接以穿隧電流值來呈 像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致 探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變，如圖 2.2.2.6 所示。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範 圍內的樣品表面起伏不
圖 2.2.2.5 定電流取像法。 圖 2.2.2.6 定高度取像法。
(3) 電流密度取像法(Current imaging tunneling spectroscopy, CITS)：該法乃 定 電流模式為架構，讓探針在回饋系統的控制下，在掃描過程中保持一定 結合了上述兩種方法，並在其中引進偏壓調變為取像變數，作法是以
的探針/樣品間距。然後在每一點，瞬時切斷回饋作用，並利用這段期 間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。
一般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合 起來，即構成一幅二維電流密度分佈圖。以此法取像，因回饋系統必須 不斷地開關，比較費時(約需幾分鐘)，且做一次，其實等於儲存了上百 個影像的資訊，記憶容量需求很大，不過，以現代的電腦容量，這已不 是問題。
2.3 探針製作、樣品準備及溫度量測
圖
(5) 把製作好的探針以去離子水浸泡 30 分鐘後，以甲醇清洗乾淨。
入傳送腔(Transport chamber)裡抽真空和烘烤，待烘烤至少 16 小時後即 2.3.1.1 製作 DC 探針裝置圖。 圖 2.3.1.2 鎢絲與液面間的相對位置。
(6) 將製作好的探針置於 STM 探針架(Tip holder)上，如圖 2.3.1.4，即可送
可送入主真空腔中使用。
圖 2.3.1.3 (a),(b)分別為 DC 與 AC 探針。
(b) (a)
圖2.3.1.4 STM 探針架。
) 電子轟擊(Electron bombard)：利用電子束把針尖表面的雜質物質轟擊掉 kV 每次轟擊維持 10 秒) 。
塑造針尖使其更尖銳的方法：
(1
(Emission current 5 mA 高電壓 1
(2) 讓針尖輕輕碰觸樣品表面，使針尖和樣品表面磨擦並把針尖上不該有的 雜質移除。此方法較具有破壞性。
(3) 在掃描樣品時可以瞬間加大樣品和探針間的電壓(約 3-5 V)，藉改變探針 尖端的原子排列以達重塑效果。
2.3.2 樣品準備
樣品為1 × 8 mm2的矽(100)-2 × 1，在樣品製備完成後，
700-800
℃，
圖 2.3.2.1 STM 樣品架示意圖。
本實驗所使用的
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，才 能 放 入 真 空 腔 系 統 。 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，使得樣品架上的雜質因受熱而脫附。在樣品架 背後緊連著一串燈絲，將燈絲通以電流I = 1.5 A之直流電源，此時電壓為 7 V、功率約為 10 瓦特，即可加熱樣品架，時間大約是 4-6 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
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 品表面活化(Flash)的步驟，所謂活化就是將樣品通過I = 3.9 A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，之後藉由快速降溫可使表面重構為乾淨的Si(100)- 2 × 1 表面。在每 次活化後，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 活化過程。以後每次使用這個樣品實驗時，只需將樣品活化10 秒一次即可。
在活化階段完成時，設法讓樣品的溫度在 5 分鐘內慢慢降溫，此步驟可使 得樣品的表面較為平坦，而且缺陷也較少。樣品的平均使用壽命，大約可 重覆活化過程三至五次。
2.3.3 樣品的溫度量測
首先我們使得真空腔系統內部的基本氣壓維持 在5
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
本實驗樣品溫度之量測，
×10-8 torr附近，接著我們使用熱偶計(Thermocouple)直接將它接觸於 1 × 8 mm2的矽(100)-2 × 1 樣品表面上，再以外加電流的方式來加熱樣品，因矽 半導體樣品高電阻(1-50 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
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[10]，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(取自論文[10])。
另因本實驗常須以電流來加熱處理樣品表面，於是我們想了解樣品在真 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，然後使用熱偶計直接 將它接觸於 1 × 8 mm2的矽(100)-2 × 1 樣品表面上，以外加交流電源 500 mA，時間為 1 分鐘來加熱樣品，然後即時關閉交流電源，每間隔 2 分鐘記 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 分鐘內，樣品表面 的溫度即可迅速下降至150 ℃附近，大約再經過 30 至 50 分鐘的冷卻，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(取自論文[10])。
2.4 曝氣方法
(Alkali metal dispens
熱脫離。釋氣時，慢慢加大電流，氣壓維持3 × 10-9 torr以下，直到最
第三章 實驗結果與討論
得到非佔據態(Empty state)影像如圖 3.1.1.1(a-d)，由於氯化鈉是絕 使得探針必須更靠近表面，布，而非條狀，可以推測鈉原子在表面遊走時，平行或垂直雙原子單體行 方向的能障應該是接近的，也就是說，並沒有特別偏好的成核方向。
(a) (b)
(c) (d)
圖3.1.1.1 (非佔據態影像) (a)蒸鍍鈉原子 15 秒; 20 × 20 nm2, －2.7 V, 150 pA。(b)蒸鍍鈉原子 30 秒; 20 × 20 nm2, －2.2 V, 200 pA。(c)蒸鍍鈉原子 50 秒; 20 × 20 nm2, －2.4 V, 200 pA。(d)蒸鍍鈉原子 60 秒; 20 × 20 nm2, －2.2 V,
遭遇情形如下：
250 pA。
關於成核過程，Oura 等人在書[12]中有較為詳細的描述。鈉原子在表 面上遊走可能
(1) 如果表面溫度夠高，可能會直接脫附(Desorption)而離開表面，其在表面 到聚集量超過臨界島嶼尺寸(Critical island size)後，整個島嶼變的
T
圖 3.1.1.2 顯示氯化鈉成核位置傾向較為均勻的分佈，並沒有特別偏向 階的情形發生，這代表鈉原子在表面遊走過程中較容易被已經存在的二 台
維氯化鈉島嶼吸引而非受到表面缺陷(如：台階、…等)的影響。
3.1.2 氯化鈉的成長模式
圖 3.1.2.1(a-d)為一系列氯化鈉成長的佔據態影像，圖 3.1.2.1(a),(b)顯示 著蒸鍍鈉原子的量增多，氯化鈉二維島嶼的面積漸漸增大，直到蒸鍍鈉 3.1.2.1(c)所示，單一原子層的氯化鈉形成並
圖3.1.2.1 (佔據態影像) (a)蒸鍍鈉原子 20 秒; 9 × 9 nm2, 2.2 V, 200 pA。(b)蒸 鍍鈉原子30 秒; 20 × 20 nm2, 2.4 V, 150 pA。(c)蒸鍍鈉原子 70 秒; 20 × 20 nm2, 2.4 V, 100 pA。(d)為圖 3.1.2.1(c)實際得到穿隧電流與設定電流的差值影像。
隨
原子的時間到達70 秒時，如圖 且依附成長在表面上。
(a) (b)
(d) (c)
當鈉原子遊走最後會成核座落在四顆氯原子中間的位置，如圖3.1.2.2(b) 所示，而使得整體表面形成穩定的結構，但由於矽的晶格常數只有5.43 Å，
小於氯化鈉的晶格常數為 5.63 Å，晶格常數的差異約 3.6 ％。為了緩和二 維氯
而得到圖 3.1.2.3(b)，氯化鈉表面呈現高低起伏不平的形貌，方格影像的 化鈉島嶼內部晶格常數的差異，氯連帶最表層矽原子的位置出現所謂 同相(In-phase)「之字型」(Zig-zag)結構，可參照圖 3.1.2.2(b-d)所顯示的模型，
如此可使得矽表面上氯－鈉－氯離子的空間長度增長，以便更接近氯化鈉 的晶格常數，而圖 3.1.2.2(a)白色區域內為得到的相對應實驗數據，清楚顯 示上述同相「之字形」的結構，至於原子影像解釋的部分將會在3.2.1 節有 更進一步的討論。
圖3.1.2.2 (佔據態影像) (a)為圖 3.1.2.1(b)的縮圖。(b-d)為圖(a)中白色區域各 面向的原子結構示意圖，黃、綠、藍分別代表為鈉原子、氯原子及矽原子。
圖3.1.2.2 (佔據態影像) (a)為圖 3.1.2.1(b)的縮圖。(b-d)為圖(a)中白色區域各 面向的原子結構示意圖，黃、綠、藍分別代表為鈉原子、氯原子及矽原子。