1-1 簡介
在資訊爆炸的時代，隨之而來的是科技的突飛猛進，而現代科技的走向皆是 往低功率、高效能、縮減體積減輕重量以致方便攜帶為主。為了要達到以上目標，
電子產品中的元件勢必要逐漸縮小，從微米材料(μm= 10-6 m)世代已經走到了奈 米材料世代(nm= 10-9 m)。所謂的奈米材料，即三個維度中，至少要有一維度是 在 100 nm 以下。而在這種尺度下的材料特性並不一定會與微米或者是更大尺度 的相同，如材料本身硬度、導電性、磁性、表面鍵結皆會隨著奈米材料的厚度、
排列結構[1]、粒徑或是線徑所影響。這就是為何奈米科技在現階段有非常大的 發展空間。
為了要能了解在奈米尺度下材料的特性，掃描式探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope, SPM)是非常重要的工具。不管是要氧化奈米尺度下的表面[2]，
或在表面量測其電壓電流圖在分析其穿隧能譜，抑或是利用針尖的最前端使得奈 米線、奈米顆粒移動，甚至是排列成特殊的形狀[3]。奈米尺度的量測以及操縱 技術，使得人們更加的了解奈米材料的基本特性，所以掃描探針技術在研究奈米 材料上是非常重要的一個環節。本實驗室主要是透過超高真空變溫掃描穿隧顯微 鏡(Ultra-High Vacuum Variable Temperature Scanning Tunneling Microscope, UHV-VTSTM)來研究材料特性。STM 在三度空間中有非常良好的解析度，可以直接 得知奈米材料表面相關的物理、化學、導電性及地貌等訊息。
1-2 文獻回顧
金元素可以說是最早被利用的金屬。從史前時代的裝飾與儀式，中古世紀的 煉金術，以及一直沿用至今仍是主要貨幣交易標準的金磚。想當然爾，金一定是 被研究最徹底的元素。
金如同大家所知，具有高延展性、高導熱導電性、高穩定性、高密度等特性。
1986~1990 年間，R. C. Jaklevic 團隊已經測量過 Au(111)的穿隧能譜[4]，得 到的結論為 Au(111)的平面上，在樣品偏壓約等於- 400 meV 時，會有一高且窄 的峰，他們稱此為表面態(surface state)，如圖 1.1。同時也有測量過金(100) 平面，在此樣品偏壓下，卻沒有發現表面態，而只是一般的上升曲線。而他們也 先做了能帶的假設[5]，(b)圖中左側金屬探針，所以費米能階以下皆是自由電子，
而在負的樣品偏壓下，樣品與探針之間的費米能階會有一段能量差，此能量差即 為樣品與探針之間的電壓差。他們推斷在此能帶中，勢必有一小區域是有能態可 以存在的。而此能態就是金(111)平面的表面態。
(a) (b)
圖 1. 1 R. C. Jaklevic 團隊所量測的結果與其推斷能態可能存在區域圖。[4][5]
之後他們也有利用理論[6]的方法證明出金(111)單原子層的金平面上與金平面 邊緣階梯所得到穿隧能譜，以及在金平面上不同溫度下所計算出來的穿隧能譜。
可以得到理論計算與實驗量測到的數據相符合。如圖 1.2
在 1990 年間，IBM 研發部門中的 D. M.Eigler 與 E.K.Schweizer 已經掌握了利 用 STM 的針尖配合靜電力與凡德瓦力去操控氙原子[3]，在鎳(110)面上排出了 IBM 的圖形。此實驗在 SPM 中掀起了一股轟動。因為已經有方法可以自由的操縱 表面上的顆粒，而不是再利用化學法或是改變加熱參數給予粒子動能而隨機移動 排列。除了探針非常靠近顆粒利用其凡德瓦力來吸引顆粒之外，在 1992 年 Ph.Avouris 團隊利用探針在金(111)的重構面上改變其結構[7]。方法為改變探 針的瞬間偏壓後，在這一瞬間樣品與探針之間的瞬間壓差，影響了重構面上而造 成一凹洞，如圖 1.3，
(a) (b)
圖 1. 2 R. C. Jaklevic 團隊所做的理論計算。[6]
他們分別觀察 3 分鐘、9 分鐘、15 分鐘、50 分鐘後發現重構的部分，會在自己 組裝回來，說明了在掃圖時，即使探針沒有給瞬間偏壓，依然有探針離樣品夠接 近而導致穿隧電流所產生的焦耳熱效應，抑或是針尖所生成的強電場去修復了重 構。
探針可以任意移動樣品表面已經眾所皆知，但是探針影響表面面積的速率如 何卻鮮有人去測量，在 1999 年 M. Giesen 與 H.Ibach 測量了探針對 Cu(111)面 單原子層狀結構堆疊隨時間的面積變化[8]。如圖 1.4 所示，
圖 1. 3 瞬間樣品偏壓轟擊及探針自動修復。[7]
可以看出空心方點為第二層銅平面，而空心圓點則是最上層銅平面。可以由面積 對時間變化圖看出，第二層因面皆較大且離針尖較遠，針尖對第二從銅平面造成 的影響較小，反觀最上層的銅平面離探針尖端較近，較容易受針尖影響，面積則 是逐漸地縮小。2006 年，Lopez-Salido 等人[9]控制濺鍍機的氬氣電漿打在高定 向熱解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG)上的時間，控制凹槽 的密度，之後再利用熱蒸鍍鍍金上去。可以發現在鍍上去的金中，有些會開始出 現層狀堆疊，而不會形成完整的截角三角形，如圖 1.5 所示。猜測可能原因是 Ehrlich-Schwobel[10]位障能量太大，而使得在非完整截角三角形上的層狀結構，
金原子無法擴散到下一層的平面。
(e)
(a) (b
)
圖 1.5 STM 44×44 nm2影像圖及剖面圖。[9]
圖 1. 4 相異層銅平面面積變化圖。[8]
而且他們也觀察到，即使金顆粒被轟擊過的 HOPG 所侷限，但仍是會被探針所影 響。圖 1.6 中可以看出金顆粒大部分都被探針影響到右半邊，而露出裸露的 HOPG。
1-3 實驗動機
即使已經有許多的探針操縱術可以去控制奈米顆粒或是奈米線，使其排列或 是改變物理結構，但是較少人去討論，探針的遠近對樣品表面的層狀結構或是顆 粒的影響。文獻中可以看到大部分討論的結構多為銅、銀、矽等原子數隨著掃圖 時間的增加，及探針影響的時間越長，則表面的島嶼或是顆粒的原子數逐漸減少。
我們在掃瞄超大範圍金(111)平面時，同時也有發現如銅(111)此種層裝堆疊的結 構，掃描發現探針對此種表面上的島嶼影響甚鉅，遂引起了我們的興趣，想去了 解探針的遠近對樣品表面結構會發生怎樣的影響。
圖 1.6 金顆粒被探針所影響而露出 HOPG 表面。[9]
參考文獻
[1] Ou, Y. C., S. F. Cheng, and W. B. Jian. Nanotechnology 20 (2009) 285401.
[2] Matsumoto, Kazuhiko, et al. Applied Physics Letters 68 (1996) 34.
[3] Eigler, Donald M., and Erhard K. Schweizer. Nature 344 (1990) 542.
[4] Kaiser, W. J., and R. C. Jaklevic. IBM journal of research and development 30 (1986) 411.
[5] Kaiser, W. J., and R. C. Jaklevic. Surface Science 181 (1987) 55.
[6] Davis, L. C., et al. Physical Review B 43 (1991) 3821.
[7] Hasegawa, Y., and Ph Avouris. Science 258 (1992) 1763.
[8] Giesen, M., and H. Ibach. Surface Science 431 (1999) 109.
[9] Lopez-Salido, Ignacio, et al. The Journal of Physical Chemistry B 110 (2006) 1128.
[10] Schwoebel, Richard L., and Edward J. Shipsey. Journal Applied Physics 37 (1966) 3682.