第二章 實驗儀器與原理
2.1 真空系統
當使用掃描穿隧電子顯微術來觀測Si(100)-2×1 表面時，樣品表面的斷 鍵很容易和空氣中的原子產生鍵結反應。因此，為了在實驗中能得到最正 確的實驗結果，必須要讓樣品表面不吸附其他氣體而影響實驗，超高真空 ( Ultra-high vacuum：UHV ) 的環境是最重要的條件之一。所謂的真空是指 在一特定空間內的部分氣體被排出，其壓力小於一大氣壓( atm )。而壓力單 位以 torr、Pa、mbar 的使用較為普遍，在本實驗室所習慣用的是 torr；而 一大氣壓相當於760 torr。 sublimate pump）、一個熱偶真空計 ( Thermal conductivity gauge )、一個離子 真空計 ( Ion gauge )以及四瓶氣瓶 ( H2、HCl、HBr、PH3)，如圖 2.1-1。
圖 2.1-1：本實驗室的真空系統。1.STM 變溫控制器，2.STM hardware 控 制器，3.STM 工作站，4.CCD camera 的顯示銀幕，5.示波器，6.
CCD camera，7.STM chamber，8.Main chamber，9. 鈦昇華幫浦 和鈦昇華幫浦控制器，10. 離子幫浦和離子幫浦控制器，11. 離 子真空計。（本圖摘自本實驗室吳彭弘學長論文。）
抽真空的第一步就是使用前級幫浦，將氣壓由一大氣壓抽至粗略真 空；前級幫浦有很多種，有氣體動力式幫浦跟機械式的幫浦，其中機械式 幫浦必須上潤滑油來潤滑，但是由於真空腔與大氣的壓力差，使得油蒸氣 會流回到真空腔而造成污染，這會使得真空腔內的氣壓抽不下去。為了避 免這類的問題發生，所以我們的前級幫浦都是選用乾式幫浦 ( Oilfree pump )。幫浦連結順序簡圖如圖 2.1-2。
圖2.1-2：真空幫浦連接簡圖。各幫浦適用氣壓範圍在下列有介紹。
當前級幫浦將氣壓抽到10-3 torr 時，就可以開啟渦輪旋轉幫浦；由於本 實驗室所使用的渦輪旋轉幫浦是磁浮式的，而在啟動後，幫浦內的葉片會 分段加速到很快的轉速。啟動中的渦輪旋轉幫浦必須保持水平，絕對不可 晃動，以免造成葉片的損傷。
在使用渦輪旋轉幫浦抽氣兩小時後，氣壓會停留在10-7 torr 不再下降。
因為原本空氣中的水氣分子或其他氣體會殘留在腔體內壁上，此時必須烘 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和其 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，所以氣壓會很快會上升。因此在前 1~2 小時 內只須把氣溫加到 60~70 ℃ 即可，為避免加熱後真空腔的氣壓大於 10-6 torr，導致腔內部分金屬氧化，可視情況將離子幫浦開啟，以幫助氣壓的下 降。之後就可以將主真空腔均勻的加熱到 100~120℃，此時要把真空腔體 與外界相通的閥門關閉，也可把渦輪旋轉幫浦關掉了。將真空腔保持在此 溫度下必須超過16 小時，最後停止烘烤讓真空腔慢慢冷卻，同時配合鈦昇
以下簡單的介紹本系統所使用的真空幫浦：
4.鈦昇華幫浦：其原理為利用鈦物質的吸氣功能（getter），鈦為活性強的物 質，其可以和許多氣體形成固態化合物，鈦先由燈絲加熱 昇華，在幫浦壁上形成鈦膜並吸附氣體，通常使用於10-4 torr 以下氣壓，因氣壓過高可能使燈絲上形成化合物而抑制鈦 昇華的作用，且隨氣壓的降低其使用的時間也可降低，因 為氣壓低表示真空腔內的氣體分子很少，不須昇華過多的 鈦來達抽氣效果。
另一真空系統中重要的設備為測量真空度的真空計，以下簡介幾個實驗
中常用到的真空計：
1. 熱偶真空計：量測範圍為 1-10-3 torr 左右，其原理為腔內的氣體分子與發 熱體碰撞並帶走熱量，因氣體分子數多時，相對能帶走的熱量會較多，
則發熱體的溫度變低，電熱偶壓降低，反之則溫度升高、熱電偶壓較大，
由此來當作壓力大小的指示。
2. 離子真空計：其測量範圍為 10-1-10-12 torr 左右，其原理為由熱燈絲放射 的電子被加速後，與腔內的氣分子碰撞並使之游離，而被游離的氣體分 子被Collector 收集，由其收集到的離子數所形成的電流大小與真腔內壓 力成比例關係，由此方式可測量電壓。
2.2 掃描穿隧顯微鏡( Scanning Tunneling Microscopy：STM )
圖2.2-2：在寬度為 w，能量為 V0的位能井上波函數示意圖。
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壁，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 2.2-3，當在探針與樣 品之間加入偏壓，就會產生穿隧電流。
圖2.2-3：scanner 的示意圖。(此圖節錄自吳致禮學長的論文。)
圖 2.2-4 是 scanner 功能說明的簡圖。形如三角架的壓電裝置，是控制
離的控制可精確在0.1Å 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100Å2的面積。
圖2.2-4：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 左右，而回饋電流大多是設在 Ifeedback = 0.2~0.3 nA ( nano Ampere )左右。若
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 3Å，縱 向鑑別能力更可好至0.1Å 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5Å 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 所掃描出的樣品表面。
2.3 探針與樣品的準備以及樣品溫度量測
2.3.1 探針( tip )的製作
在使用掃描穿隧顯微鏡時，由於所掃描出來的圖像解析度是非常高 的，也因此探針在此就扮演非常重要的角色。探針的尖端必須是只有幾個 原子的大小，以下介紹探針的製作方法。
探針依照其製作的方法不同可分為DC tip 和 AC tip 兩種，而這兩種探 針有著不同的特性。
1.DC tip：製作探針所使用的材料，在本實驗室是使用鎢絲 ( tungsten )。首 先將直徑0.5 mm 的鎢絲截成約 0.6 cm 的長度，並將鎢絲與正極接著，另外 負極與一不鏽鋼連接，並且將兩者完全沒入濃度為 10%的氫氧化鈉溶液 ( NaOH )中，通以 15 伏特的直流電壓約 3~5 秒，使之表面的保護層被去除，
其裝置如圖2.3-1 所示。
圖2.3-1：製作 DC tip 的裝置以及 DC tip。
2. AC tip：在製作 AC tip 時，必須先裁剪一段 4~6 cm 長的鎢絲，在利用上 面的方法將表面的保護層去掉。其裝置如圖 2.3-2，探針與不鏽鋼線圈是通 以約 5 伏特的交流電壓，探針沒入液面下約 1cm，而不鏽鋼圈的直徑是使 用10cm。剛開始通電壓時，可量測到電流約為 200~300 mA ( 此電流與溶 液濃度和液面下的探針面積有關。) 之後液面下的鎢絲會被蝕刻 ( etching ) 越來越小，而電流也會越來越小，當電流小到只剩下幾十毫安 ( mA ) 時，
將鎢絲取出並截取適當的長度之後，探針就完成了。但是由於AC tip 製作 時，只能用肉眼觀察探針蝕刻的情況，所以一旦取出溶液外發現失敗就必 須重做。就連製作成功的探針，能夠取到解析度不錯圖像的，其成功率也 不過只有三成多而已﹔不過每根成功的 AC tip 所能有效使用的時間均很 長，只要不撞針，每根AC tip 均可使用幾個星期。
圖2.3-2：製作 AC tip 的裝置以及 AC tip。
由於製作探針的方法和原理不同，所作出的探針針尖也不同，一般而 言，DC tip 在掃描樣品表面時，所得到的解析度是比較好的；而 AC tip 在
2.3.2 樣品的準備
在本實驗中所採用的樣品為4mm × 12mm 的 Si(100)，在放入真空腔內 之前，必須先用高壓的氮氣，將樣品的表面上的雜質吹掉，以達到第一步 粗略的清潔。在準備使用樣品前，必須加熱樣品架 ( sample holder )，使 sample holder 上的雜質因熱而脫附。在 sample holder 背後緊連著一串燈絲，
將燈絲通I = 2A 的直流電，此時電壓為 6.2 volt、功率為 12.4 瓦特( W )，即 可加熱sample holder，此方法稱為 resistive heating。每次 resistive heating 的 時間都必須超過6 小時才行。
圖2.3-3：STM sample holder 示意圖。
之後就是將直流電直接通過樣品，將樣品加熱到約700℃，使樣品表面 的雜質熱脫附掉，此步驟稱為direct heating，此步驟約需 16 小時以上。
接下來就是樣品flash 的步驟，此步驟對於樣品表面的好壞影響是最大 的，所謂的 flash 就是將表面通 I = 8.5 安培的直流電持續約十到數十秒不 等，使樣品溫度高達 1250℃，而使得表面的雜質和氧化層被破壞掉，之後 即可得到乾淨的Si (100)表面。從前樣品在第一次使用時，我們是將樣品通
樣品的表面有許多的缺陷 ( defect )。最後嘗試出來最好的方法是：將樣品 通以I = 8.5 安培的電流，持續 10 秒，第一次使用前要 flash 兩次，並且在 每次 flash 後，必須等到氣壓降到 5×10-10 torr 以下時，才可繼續下一次的 flash。以後每次用這個 sample 實驗時，只需將樣品 flash 10 秒一次即可。
利用此方法可使得sample 表面較為平坦，而且 defect 也很少，sample 的壽 命也可變得很長。
2.3.3 樣品低溫溫度量測
由於本實驗是在低溫下曝氣，因此欲得到在曝氣時的樣品溫度，故對此 時的樣品做溫度之量測。首先我們設計一中空管，最底端採用銅，方便導
由於本實驗是在低溫下曝氣，因此欲得到在曝氣時的樣品溫度，故對此 時的樣品做溫度之量測。首先我們設計一中空管，最底端採用銅，方便導