原子力顯微鏡主要是由具有伸長方向互相垂直的三個軸的壓電陶瓷掃描載檯 (piezoelectric scanner)、四象限感光二極體偵測器(position sensitive photodector)、電 腦控制回饋系統、外接式探針所組成，如 Fig.44 所示。
AFM 基本原理為利用雷射光打在經過拋光的探針懸臂背面，因為探針針尖在 樣品上移動時，其懸臂會隨著樣品表面粗糙程度的不同而彎曲移動，隨著懸臂的 彎曲變化使得反射至感光二極體偵測器(PSPD)的雷射光產生偏移如 Fig.45 所示，
感光二極體偵測器(PSPD)藉由此偏移量產生電訊號，再傳送到電腦控制的回饋系 統產生回饋電壓訊號，最後利用回饋電壓訊號來控制壓電陶瓷掃描載檯的移動，
藉此控制探針和樣品之間的距離並利用此訊號來成像。
Fig.44 原子力顯微系統鏡示意圖[37]
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Fig.45 探針高低對於 PSPD 示意圖[37]
由 Fig.46 可知探針針尖和樣品表面的距離與兩者之間的作用力的關係。依照 探針針尖和樣品表面的距離，利用原子間的吸引力與排斥力的作用，原子力顯微 鏡的操作模式可分為三種，分別為接觸式(Contact mode)、非接觸式(Non-contact mode)、輕敲式(Tapping mode)。其中使用接觸模式掃描樣品時，探針針尖和樣品 表面的距離只有數個埃，此時針尖與樣品表面之間的作用力為原子間排斥力。由 於凡得瓦力屬於短距力，相對其它兩類可以更有效的接觸表面，且由於探針與樣 品表面是彼此接觸，所以接觸式較容易得到原子級解析度。
Fig.46 探針與表面間的距離和作用力[37]
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但往往 AFM，或者是其他的探針式掃描顯微鏡，這類的掃描影像，通常掃描 的表面特徵結構已無法再經由顯微鏡下肉眼直接觀察，而是利用探針與表面之間 受力的方式，這樣就會出現，我們以往用肉眼觀察事務不會產生的問題，像是：
探針效應(Tip Effects)，此一效應主要在於說，當薄膜表面微結構的特徵比起 探針還來的小的話，例如薄膜具有奈米針(nanotube)狀的表面特徵，而掃描探針針 尖的曲率半徑又大於薄膜的表面特徵，這時當探針掃經表面時薄膜特徵將被掩蓋 在探針的影像內，反之深谷和電特性量測皆是如此。
懸臂系統(Cantilever System)，小節開始時有提到所選用探針懸臂之力常數，
以及探針的共振頻率，而懸臂的選擇是否合適，往往決定了掃描影像的良好與否 的決定性因素，和探針的使用壽命，更甚者薄膜表面特徵是否會被破壞，一般來 說懸臂是否適宜，端看兩者間受力大小，也就是接觸模式下探針與樣品之間所受 的力，懸臂的彈性(力常數)大小是不是可以捕捉出表面特徵，非接觸模式下懸臂的 共振頻率是否足夠高頻且集中(也就是探針接近與遠離樣品時的共振偏移是否足夠 靈敏)和單一(共振峰的峰形是否尖銳以及附近頻域沒有其他共振峰)。
最後是圖像上表面特徵的捕捉(Image Processing Features)，一般來說由於我們 的探針是從薄膜正上方向下接觸薄膜，但薄膜表面特徵卻並不一定皆是正向所能 探測到，這時就需要考慮改變薄膜平面與水平上之交角，或者是改變掃描的方向 以及掃描模式。
接下來，AFM 掃描後量化數據分析，經由儀器廠商的配套軟體 XEI 處理過後，
會出現像是方均根粗糙度(Rq)、訊號峰的最高值與谷的最低值之間差(Rpv)等等的，
而計算式詳見表格 3 與表格 4。
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3-2 X 光繞射分析儀(X-ray diffractometer system)
我們利用 X 光繞儀來分析薄膜的晶體結構，最常用的 X-ray 繞射儀是利用加 速電子去撞擊金屬靶(Cu、Fe..等)，從而放出 X 光，最主要是因為 X-ray 的波長較 短小比之於晶面與晶面間的間距 d，因此適合拿來做為結構分析的光源。而數據取 得的方法是根據布拉格繞射公式(Bragg，s law)如 Fig.47 所示，當入射光受相鄰兩晶 面上原子層的電子雲所反射，使得當兩道反射光的波程差為 2dsinθ 等於光波波長 或是整數倍時，各個繞射光源所發出的兩道光於特定角度與間距下，形成不同強 度的建設性干涉，再從偵測器接收端與膜面特定交角處，測得不同晶面之繞射強 度訊號，下方即為布拉格繞射公式。
2dsinθ= nλ
d： 為兩相鄰平行結晶面的距離 θ： 為入射光和結晶面的夾角
n： 為光程差為波長的整數倍時的任意整數 λ： 為 X 光光源的波長
Fig.47布拉格繞射原理圖[37]
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本實驗的樣品是使用高雄大學應物系邱昭文老師實驗室 Rigaku 公司所生產 型為 Ultima IV 的 X-ray 繞射儀分析儀進行樣品成份與結構的鑑定量測(Fig.48)，
以此來量測鉍、氧化鉍、銀薄膜，其輸出功率為 40KV，40mA，使用銅靶，其 Kα 波長為 λ=1.5418Å，我們固定選用的精細鑑別度(step)是 0.02 度，掃描速率(Scan speed)是 2.4 度/min，掃描範圍為 20～70 度，功率為 1.6KW(40KV，40mA)。在量 測過程中，手壓樣品難免會有些微角度偏差，所以我們會先作θ Scan 找出最高強 度與理論最高強度的誤差角度，然後在θ-2θ 量測前將角度修正至理論值，一般除 了玻璃基板外皆以 Si 基板訊號作為修正基準，再由修正過後 XRD 分析數據比對 XRD database。
Fig.48 XRD 分析儀[37]
Fig.49 為 Si(100)未鍍膜的空基板訊號、Fig.50 為 Si(111)未鍍膜的空基板訊號。
所使用的 JCPDS 有鉍(44-1246)、氧化鉍(27-0050)、銀(04-0783)、矽(27-1402)，詳 見附錄。
其中 Si(100)與 Si(111)基板分別於 33.045o與 44.072o的位置有雜質所產生的峰 值，而 Si(111)在 58.919o另有 PDF#39-0973 Si(333)的雜項峰值，以及 95.099o PDF#27-1402 Si(511) 的雜項峰值，在此實驗中因為 Si(111)基板主要繞射峰值與 β-Bi2O3(201)的繞射峰值非常接近，以致於無法清楚判別薄膜訊號，所以接下來並
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非以 Si(111)作為製程用的基板。
Si(100) Substrate PDF#27-1402
Impurities
Si(400)
Fig.49 Si(100)未處理空基板
20 40 60 80 100
Si(111) Substrate PDF#27-1402 Si(111)
Si(333) PDF#39-0973
Impurities
Fig.50 Si(111)未處理空基板