本實驗發展簡易的 STM 系統由三大部分所組成：
一、機械結構：探針、樣品座、掃描器、步進裝置、避震系統、外框骨架。
二、電子電路：電流放大器、回饋運算器、數位類比轉換器(DAC)。
三、電腦控制介面。
圖 3-1 Simple STM 示意圖
本章節將自製 STM 系統分成三個部分做介紹，分別為一台簡易型 STM 必須所 包含的機械結構、電子電路和掃描控制程式。一般商用 STM 機台有定電流模式、
定高度模式，然而定高度模式對於樣品表面帄坦度要求相當嚴格，使用上隨之受 到限制，所以我們採用定電流模式的 STM 系統，首先利用槓桿式的手動步進器，
步進至穿隧電流的產生，將穿隧電流利用電子電路加以放大並轉為電壓訊號，接 著利用回饋電路精確控制 Z 軸的高度以維持固定的穿隧電流，再以電腦運算並換 算出樣品表面高度差，最後利用軟體以色差(亮暗度)的方式來表現出樣品表面的 高低起伏。
3-1 機械結構
本小節將把自製 STM 主要的機械結構個別一一說明，分別為掃描器、探針 座、樣品座、手動步進器、避震系統，以及影像擷取鏡頭。
3-1-1 掃描器 (scanner)
STM 的掃描器為壓電材料的重大應用之一，其原理最主要利用了施加一電 壓於壓電材料，則壓電材料會反映出一微小位移的特性，以達成我們所想要的掃 描範圍。一般市售 STM 的掃描器通常為管狀型(tube scanner)，如圖 3-2，將一圓 柱體側面的壓電材料切割成四等份，分別接上電極施加電壓，此圓柱體因受外圍 壓電材料型變量的影響而彎曲，隨著四極的正負電壓的改變，因此可進行一微小 區域的掃描動作。
圖 3-2 傳統管狀掃描器示意圖[6]
由於以往掃描器的壓電材料必須配合著較高的電壓使用，成本相對也較高，
所以我們採用了一般市售的壓電蜂鳴片來當作我們的掃描源頭，僅需數個伏特電 壓方可驅動，我們稱之為低電壓圓片掃描器(low voltage disk scanner)。[7]
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圖 3-3 (a)壓電蜂鳴片正面實際圖與(b)側邊示意圖
接著將中心部分的壓電材料切成四個區塊，在其上圓心處接上陶瓷管與樣品座，
分別在四區壓電材料上方的電極端連接兩組互為反向的電壓(+x、-x 和+y、-y)，
其下的銅片接地，如此一來，+x 與-x(或+y 與-y)因電場方向相反而使得兩區間的 壓電材料分別反映伸長與縮短的動作，造成連接其上的陶瓷管可往 X 軸方向(或 Y 軸方向)傾斜，即可決定掃描器的兩個方向，而達到一微小區域的掃描動作。(圖 3-4、3-5)
圖 3-4 (a)壓電材料切割四等份，(b)連接陶瓷管與樣品座
圖 3-5 掃描偏移示意圖
決定 XY 帄面的掃描動作是由於兩組反向電壓所造成兩邊的高度差因而擺 動，若同時施加相同的電壓在四個電極上，將使得四區塊的壓電材料同時伸長或 縮短，而達到 Z 軸方向的垂直移動(圖 3-6)，利用此機制，我們將可以決定 XYZ 三軸的方向。
圖 3-6 Z 軸伸縮示意圖
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本 STM 系統所掃描面積的範圍是由壓電蜂鳴片型變量的大小與陶瓷管的長 度所決定，蜂鳴片經由切割處理後，其最大型變量決定了陶瓷管的最大擺動角度，
又弧長 S=R θ，在 θ 極小的情況下，弧長 S 可視為一直線，故掃描出的一微小 曲面可視為一微小帄面。由於壓電材料的型變量有限(θ 有限)，藉由加長陶瓷管 的長度(R 變大)將可增大掃描面積，所以我們將掃描模式分成兩種:
(1) 大範圍模式(large area mode):
將一陶瓷管利用磁鐵的吸附力加裝在原本蜂鳴片所連結的短陶瓷管之上，
使得掃描器整體的高度提高至原本的三倍，所掃描的面積將為原來的九倍，
同時卻也讓掃描器整體的高寬比也提升了 3 倍，使得整個系統變成較為不 穩定的狀態，容易受外界擾動，因此解析度稍微變差，其最大掃描面積範 圍約為 3 μm×3 μm。
(2) 高解析度模式(high resolution mode):
相較於大範圍模式較為穩定，我們稱原本不加裝陶瓷延伸管的情況為高解 析度模式，其最大掃描面積範圍約為 1 μm×1 μm。
圖 3-7 陶瓷管長度對掃描面積的影響
3-1-2 探針載台 (tip holder)
先前自製 STM 的探針是裝附在掃描器之上，使得加在壓電材料上的偏壓影 響了穿隧電流值，產生了一微小漏電而造成雜訊的干擾，進而影響 Z 軸的解析 度。為了改善此狀況，我們將探針載台與掃描器分開來，把探針載台設計在上方 固定不動，探針載台的底座利用一石英片作為絕電材料，以確保探針載台與機械 主體是完全絕緣不相通的(亦可說是避免機械主體的地端雜訊傳進來)，樣品座則 改裝附在掃描器做掃描動作，而不再是以往的探針做掃描動作去探測樣品 。
圖 3-8 探針載台示意圖
3-1-3 樣品座 (sample holder)
因為陶瓷材料具有較高的電阻率和硬度，以及較小的膨脹係數，所以我們利 用陶瓷管做為掃描器的延伸端。若將延伸陶瓷管的另一端加裝一磁鐵，樣品基板 選用磁性不鏽鋼薄板(型號:430)，此磁鐵即成為放置樣品的樣品座，如此一來，
藉由磁鐵的吸附力，使用者可以容易地進行更換樣品的動作。
圖 3-9 樣品與樣品座
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3-1-4 手動步進器 (manual stepper)
利用三根精密螺絲支撐 STM 上板模組，轉動螺絲可調整上板高度，又探針 固定於上板，故轉動螺絲可調整探針與樣品之間的距離，藉此來達到我們的步進 效果。調整方式又分粗調與細調，粗調為直接轉動粗調螺絲，精密螺絲的螺紋間 距為 0.3mm，意即轉動一圈將位移 0.3mm，所以粗調螺絲每轉一度的位移量約為 0.8μm(0.3mm / 360°≒0.8μm/°)。細調則是利用槓桿原理，以粗調螺絲為支點，
依一定比例分配細調螺絲到支點的距離和探針到支點的距離，本實驗設定槓桿比 例為 1:80，則細調螺絲每轉一度將使探針位移約 10nm。
圖 3-10 手動步進示意圖[8]
3-1-5 避震系統(vibration isolation)
當 STM 步進至產生穿隧電流時，探針與樣品的距離通常小於 1nm，而外界 環境所產生的震動源，振幅往往遠大於 1nm，如何有效的避免外界震動雜訊傳進 探針和樣品，將是 STM 解析度的關鍵之一。本實驗除了 STM 外框架底座的橡 膠軟墊做為粗略的避震外，主要的避震裝置是利用四根彈簧將 STM 主體懸吊於 空中，一來是避免 STM 主體與外框架直接接觸，二來是藉由彈簧的避震效果將 外界震動的影響降至最低。
如 2-4 節所討論的結果，除了選用適當的 Q 值之外，機械本身的自然頻率
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3-1-6 影像擷取鏡頭(camera)
利用手動步進器進行進針動作的時候，使用者必須清楚地知道探針與樣品之 間的距離，才能準確地判斷粗調換成細調使用的時機，以避免發生撞針的情況，
依此我們設計一攝影鏡頭在探針旁邊，當樣品與探針的距離粗調步進至某一程度 時，由於樣品表面的反光，我們可以利用探針在樣品表面上的倒影，與實際探針 的間距做為切換細調的判斷依據。
圖 3-12 攝影鏡頭示意圖
圖 3-13 進針影像擷取圖
3-2 電子電路
STM 主要的機制為利用穿隧電流，再搭配回饋機制而控制壓電材料的伸縮，
故電子電路必須具備將穿隧電流放大的電流放大器、回饋電路、XYZ 控制電路 以及數位類比互轉電路。本實驗之電控盒為許俸昌先生所製作完成。
3-2-1 電流放大器 (current amplifier)
在實驗過程中，探針與樣品之間所產生的穿隧電流值非常小，其值通常介在 0.01 nA 至 50 nA 之間，為了利用穿隧電流來準確控制 Z 軸的回饋而不受其他雜 訊的影響，必須先將穿隧電流透過電流放大器放大，並且轉成電壓值讓電腦可以 讀取它的數值，故電流放大器的好壞往往影響了 STM 的解析度。
圖 3-14 電流放大器電路圖[8]
3-2-2 絕對值電路 (absolute-value circuit)
透過程式的控制，使用者可以決定一固定電壓加在樣品上，其值可從 -10V~+10V，偏壓的正或負造成了穿隧電流的正負值(電流方向)，又電流的正負 值會影響到後級回饋電路的判斷，因此，在電流放大器之後必須設置一絕對值電 路，先把前端的穿隧電流全部轉成正值，再經由回饋電路中的比較器對其電壓值 大小做比較，從而進行回饋機制。
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圖 3-15 絕對值電路圖[8]
3-2-3 回饋電路 (feedback circuit)
由 2-2 節穿隧效應推導結果得知，探針與樣品之間改變一微小距離將使穿隧 電流以指數關係大幅度的變動，若要保持固定大小的穿隧電流(定電流模式)，則 必須利用回饋電路的回饋機制控制壓電材料的伸縮，以維持探針與樣品的距離。
使用者可透過程式設定一比較電壓(set voltage)，回饋電路的比較器將此值 與穿隧電流電壓值做比較，當穿隧電流電壓值大於比較電壓(探針與樣品間距離 變近)，則多出來的電壓會抑制 Z 軸的控制電壓，造成壓電材料往後縮而使穿隧 電流電壓變小，直到趨近於設定電壓；反之，當穿隧電流電壓值小於比較電壓(探 針與樣品間距離變遠)，則不足的電壓會加在 Z 軸控制電壓上，造成壓電材料往 前伸而使穿隧電流電壓變大，直到趨近於設定電壓。
圖 3-16 回饋電路圖[8]
3-2-4 XYZ 控制電路 (position control circuit)
STM 的 scanner 進行掃描動作之前，由程式輸出一數位電壓給 X 控制電路，
經過 X 控制電路之後，此給定電壓會分成兩個大小相同、正負相反的電壓，分 別成為＋X 與－X，再轉換成類比訊號傳至 X 方向的壓電材料(±X 電極)上，接著 程式輸出一系列連續遞增或遞減的電壓，即可造成掃描器在 X 方向上微小的來 回擺動，由此來控制 X 方向的掃描。同理 Y 方向亦然，再藉由程式決定 X、Y 兩方向電壓的輸出順序，掃描器即可一條接一條的擺動，進而完成一帄面的掃描 動作。
如前一小節所述，回饋電路所減掉或補足的電壓值，將被送往四極壓電材料 上，同時加諸在＋X、－X 與＋Y、－Y(或統稱 Z 軸控制電壓)，只要利用壓電材 料型變量與電壓的關係，就可換算出 Z 軸實際高度的變化，再藉由電腦軟體以 色差的方式呈現出來。
圖 3-17 XYZ 控制電路[8]
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3-2-5 數位轉類比與類比轉數位轉換電路
數位轉類比卡(D/A Card)的功能是將電腦輸出的數位訊號轉換為類比訊號傳 輸給壓電材料，我們所使用的 D/A Card 輸出的電壓範圍為±10 V，而電腦為 16
數位轉類比卡(D/A Card)的功能是將電腦輸出的數位訊號轉換為類比訊號傳 輸給壓電材料，我們所使用的 D/A Card 輸出的電壓範圍為±10 V，而電腦為 16