覆銥鎢針半徑對離子電流的影響

由前面提到的氣體供給函數的公式可知，對於針狀樣品的尖端，

其半徑 rt越大，總氣體供給函數 Zs越大，可得到越大的離子電流。

𝑍_𝑠 ≅ 4𝜋𝑟_𝑡² 𝑝

√2𝜋𝑀𝑘𝑇(𝜋𝜙)¹²

其中針尖半徑的控制，中研院已經研究出控制脈衝的電化學方法來蝕 刻鎢針，經改變拉斷已頸化的鎢針所需要的脈衝寬來增大或減小針尖 半徑，當斷針的脈衝寬越大，所得到的針尖也就越鈍。如下圖 4.1 所 示，一般製作的針尖都是用 50ms 的脈衝寬斷針，得到的半徑約在 20~30nm，大於這個脈衝寬會得到較鈍的針。

關於其針尖半徑和針尖角度，都是由製作完成的針，拍下 SEM 圖片後量測，前者是將放大倍率和圖片像素比較尖端最凸起部分的直 徑，後者是以圖片取一定針尖長度 L8，如圖 4.1(f)，並取得針柄寬度 L9，再從針頭連線到針柄 L10、L11，求出 L10 和 L11 的夾角 AN1 為針尖角度，以平面的角度代替立體的圓錐角。

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圖. 4.1 不同脈衝寬斷針對應的針尖半徑與角度[42] (a)-(e)為不同斷針的脈衝寬可 得到不同針尖半徑(radius 0f curvature=ROC)(f)量測針尖角度(angle)方法

得到不同半徑的覆銥鎢針後，皆給予加熱退火處理，加熱到 900K 到 1100K 數次後，可看到三個(211)面逐漸擴張並夾成稜線，最後在(110) 皺化形成金字塔，如 4.2 圖。

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圖 4.2 (a)-(c)覆銥鎢針晶加設退火後(211)擴張並夾成稜線，成像電壓約 5kV~7kV (d)-(f)再多次加熱退火成後可成長 1、3、10 的金字塔，成像電壓約 5kV~6.5kV

(110)面皺化後形成類型一(1、3、10 顆原子)或類型二(1、6、15 顆原 子)的金字塔，在應用面上以金字塔的第一層或第二層有較佳的利用

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A.單原子針尖的氦氣離子電流比較

圖 4.3 較鈍的針可得較大離子電流

由圖 4.3 可看到有兩個不同針尖曲率半徑得單原子針產生的氦氣 離子電流。而不同的針尖半徑，成像電壓會有所不同，當針越尖，所 需要的成像電壓較小；反之，鈍的針需要較大的電壓來成像。故從圖 的成像電壓可推出左邊電流的針尖較細，右邊電流的針尖較粗。取兩 者的電流對電壓曲線的斜率轉折處作為飽和離子電流大小，鈍針電流 3.74 pA 明顯大於尖針的 1.56 pA。兩者相差約為 2.39 倍。

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圖 4.4 較鈍的 tipB 針尖 SEM 照片(a)其中尖端部分吸附了其他物質，故畫上輔助 線標示(b)由於放大倍率不夠，故量測針尖半徑大約取 40nm

此實驗尖針的製成參數如圖 4.1(c)，斷針時是用的脈衝寬為 50ms，

所得到的針尖半徑約為 20~30nm，為了方便計算比較取中間值 25nm 作為估計；而圖 4.4 為鈍針的 SEM 圖，可看出比起圖 4.1(c)，半徑較 大，約為 40nm。兩者半徑相差 1.6 倍，故面積約差 2.6 倍。從公式可 知，飽和電流應和針尖半徑平方成正比，即和面積成正比。和實際測 得離子電流比較後，面積比值和電流倍率差不多，符合公式中所顯示：

當針尖半徑越大，氣體供應函數和半徑成平方倍，則可供給的氣體越 多，飽和電流越大。除了 SEM 影像和製針參數外，若是改用最佳成 像電壓和電場回推針尖半徑，則較尖針約為 31.8nm，較鈍針約為 38.6nm，兩者針尖面積的差距較前述計算方法略小。

(a) (b)

~80nm

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B.三原子針尖的氦氣離子電流比較

圖 4.5 三原子針所產生的離子電流，越鈍的針同樣可產生越大的電流。

圖 4.5 則是兩隻不同針尖半徑的尖端，成長為類型一金字塔的第 二層，以三顆原子為頂端排列所產生的氦氣離子電流。同樣的，從施 加電壓的大小判斷出左邊電流的針尖半徑大於右邊的針尖半徑，因此 右邊稱鈍針而左邊稱尖針。比較氦氣離子電流曲線斜率轉折點的電流 值，鈍針的飽和電流 3.84 pA，也大於尖針的飽和電流值 1.21 pA。故 即使是三原子針尖，也符合預期中針尖半徑越大，飽和電流越大，然 而此組實驗的鈍針電流，飽和區飽和趨勢不明顯，因電流尚未完全到 達飽和狀態，故其飽和電流值會稍微低估。

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C.單原子針尖的氖氣離子電流比較

圖.4.6 極鈍針的氖氣離子電流。雖然半徑大為增加，但離子電流的增加幅度卻不 如預期的大

除了氦氣之外，氖也一種常用的成像氣體，尤其氖氣的成像電壓 比氦氣還來的小許多，可以利用此特性看到更鈍的針尖影像。故將成 像氣體改成氖氣，製作一隻超鈍針並量測離子電流。圖 4.6 為兩個不 同針尖曲率半徑的單原子針尖產生的氖氣離子電流。右邊電流所對應 的成像電壓大大高過左邊的電壓，所以右邊稱極鈍針。比較兩者的氖 氣離子電流曲線斜率轉折點的電流值大小，極鈍針的電流值為 2.9 pA，

大於尖針電流值 0.63 pA，約差 4.6 倍。

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圖 4.7 極鈍針尖 SEM 照片，針尖半徑約 100nm

極鈍針的半徑由圖 4.7 可知約為 100nm，而較尖針的製成參數同 樣使用 50ms 做為斷針的脈衝寬，故半徑大約估計為 20nm。計算後 本實驗的尖鈍針半徑約差 5 倍，但從最佳成像電場來看，尖針的最佳 成像電壓值約為 4200V，鈍針則約為 11000V，相差僅約 2.62 倍，若 較尖針以此電壓回推針尖半徑，約為 22.1nm。氣體供應函數顯示，

半徑越大，氣體供應會成平方增加。但是實際測得的電流雖然會提升，

增加幅度卻沒有如預期以平方倍數提升。可能原因或許是總氣體供應 函數和飽和電流值成正相關，卻不一定成正比。

綜合以上三個實驗結果，可得知飽和的氣體場離子電流值的確會 因針尖半徑變大而提升，但是當半徑持續增大，電流卻沒有如想像中 成平方倍增。所以針尖半徑和離子飽和電流的關係，在半徑較小時電 流對於半徑的變化較敏感，會隨半徑增大而快速變大；當半徑鈍到約

~200nm

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100nm 左右，離子飽和電流因針尖半徑的變化而增大的幅度會逐漸轉 小。在下面將提出一些可能的原因。

Börrent 和 Böhringer 等人在 1990 年所發表的論文中提到場離子電 流的的理論計算式。未達飽和電流的低電場區域，其電流公式[43]：

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未討論整體，並不能充分符合實際的氣體供給機制，且氣體供應函數 在原理部分提及，只是大約描述最頂端球形部分的氣體供應關係，並 非和實際針形吻合的精確函數，故會產生誤差。

除此之外針尖最頂部的針柄頃斜角度(shank angle)也會影響離子 電流[44,45]。如圖 4.8 所指示，在相同的針尖半徑下，夾角越小，電 場分布越廣，針柄上可捕獲氣體的區域越大。因此在其他條件相同且 針尖半徑也一樣的情況下，針柄頃斜越多，和水平夾角越大，電流密 度會比較小；斜率越趨於水平，夾角越小，電流密度會比較大，如圖 4.9 為實際兩個不同針柄傾斜角的針尖，其中頃斜角為 1.5°的三原子 針尖可得到氦氣離子電流 2.52pA，而 14.5°的三原子針尖離子電流為 0.92pA，因此針柄傾斜角對於離子電流有明顯的影響。

圖 4.8 模擬相同針尖半徑不同針柄傾斜角的針尖電場分布 (a)針柄傾斜角 2°

(b)針柄傾斜角 15°[44]

(a) (b)

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圖 4.9 針柄傾斜角比較 (a)針柄的傾斜角度參考值[45] (b)本實驗極鈍針的 SEM 圖放大後觀察針柄傾斜角度極大

若以本實驗的極鈍針為例，在製作鎢針時，較鈍的針雖然針尖半 徑較大，但是其針尖到針柄的傾斜角度也較大，從圖 4.8(c)可清出看 見。此圖是將原本放大倍率 50000 倍的 SEM 掃圖再放大並擷取最前 端部分。雖然影像有點模糊，但仍可看出傾斜角度較 4.9(a)、(b)圖大 上許多，這個效應會抵消電流隨針尖半徑增大而增加，讓電流提提升 幅度無法成平方倍率，而這應該也是極鈍針的電流大小不如預期的主 因。未來應可做進一步的研究來檢驗針尖半徑和針柄頃斜角度兩者相

θ

200nm

(c)

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互消長的關係，取得最佳條件來得到最大的離子電流值。

圖 4.10 以量測到的電流轉折處比較兩組數據

另外，有兩組或以上的電流數據再進行在分析比較時，會以電流 學率轉折點當作飽和電流值來互相比較，圖 4.10 為例，然而為什麼 取此點數據代表飽和電流值，下面將進行討論。圖 4.11 為相同氣壓 和溫度下，兩組電流曲線，但用不同方法得到飽和電流值來比較。其 中兩組電流皆為同樣的電流數據曲線，只是右邊的電流數據點較左邊 少 2 個，由於兩組數據一模一樣，理論上來說其飽和電流值應該會一 樣。但如果以量測到的電流最大值做為飽和電流的代表，由於飽和區

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域的電流仍未隨電壓升高而微微增加，所以右邊的電流最大值會略小 於左邊，如圖 4.11(a)。若是改為將電流平緩區域的平均來比較，從樣 左邊電流的平均會大於右邊電流的平均，如圖 4.11(b)。

圖 4.11 (a)取電流最大值比較 (b)取電流平緩區域平均比較

由於上述兩種方法來定義飽和電流值，對於同樣電流數據，會因為飽 和電流區域取到的數據多寡而不一樣，並不合理，若是採用以電流斜

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