一、定電流模式(constant current mode)：
運作於此模式時，需設定一固定之穿隧電流作為回饋訊號，由穿隧效應所推導出
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二、定高度模式(constant height mode)：
選擇定高度模式時，回饋電路將被關閉，掃描器在 Z 方向不再有伸縮，只 單純控制探針固定於同一高度做反覆掃描。探針在 X、Y 方向掃描時，電壓與 高度均為固定，由於樣品表面本身之高低變化，使得各個點的穿隧電流大小不同，
經由換算可得樣品地貌，如圖 2-1(b)所示。固定高度掃描容易碰撞高低起伏過大 之樣品而損毀探針與樣品，故此掃描模式適合小範圍與較帄整樣品之掃描。但也 因運作於此模式不必使用到回饋電路，適合做快速掃描，常被用以觀測樣品表面 化學反應之動態變化。
圖 2-1 掃描穿隧電流顯微鏡掃描的兩種模式(a)定高度模式，(b)定電流模式[2]
其實早在 1970 年代初期，美國的 Young 等人便已製作出類似此架構的儀 器，只是他們使用的偏壓高達數千伏特，針尖跟樣品的距離約 100 Å，較 STM 探 針與樣品一般工作距離為遠。此儀器的垂直解析度(即 z 軸方向)約為 30 Å，水帄
解析度(x 及 y 軸方向)約為 4000 Å。Binnig 及 Rohrer 等人之所以能取得原子解 析度，在於他們將此系統做了很多的改進：他們有效隔離了振動，且在超高真空 (1×10-9 torr 或更低壓力，1 大氣壓=760 torr)中製備出非常乾淨的表面，並發展出 將探針逐步帶至樣品表面的方法。掃描時將針跟樣品的距離拉至約 10 Å (低於 Young 的 100 Å )，及使用很低的偏壓；這些改進終於使他們得到原子影像。在 我們的周遭環境中，大部分的振動主要來自建築物(或地面)的震動，亦有可能是 各種聲波，在穿隧效應發生時，探針需與樣品表面距離極短，這些振動如未有效 地隔離，將嚴重地影響影像的讀取。另外，如何將針帶至穿隧的距離而不撞針，
也是獲得原子影像極關鍵的一點。至於為什麼要在超高真空中操作，是因為較容 易處理出乾淨的表面，空氣中的氧及水等分子非常容易吸附到樣品表面，甚至引 起化學反應而破壞帄整、規律有序的表面原子結構，大部分漂亮的原子影像取自 於超高真空系統中，空氣中只有少數具層狀結構(如石墨)的材料可獲取原子影像。
除了上述的幾點之外，有效地隔離電磁雜訊，對儀器的解析度也有很大的幫助。
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2-1 壓電效應
壓電效應(Piezoelectric material)係指某物質具有可以將機械能(mechanical energy)與電能(electrical energy)作互相轉換的性質，其轉換情況可由下圖作扼要 說明：圖 2-2(a)所示為壓電材料被施加應力時，材料表面會產生電荷造成一電位 差，此現象稱為正壓電效應(direct piezoelectric effect)。反之，若對壓電材料施以 外加電場時，則會使該壓電材料產生應變，此現象稱為 逆壓電效應(reverse piezoelectric effect)，如圖 2-2(b)所示。有關壓電性來源，可由材料的晶體結構來 說明，如果在單位晶胞中，正電荷(陽離子)之幾何中心點與負電荷(陰離子)之幾 何中心點不位在同一點，則產生電偶極(electric dipole)，不具對稱中心的晶體，
受到應力時會使正負電荷中心距離改變而產生電偶極矩或電壓的變化，即產生壓 電效應。故由晶體物理學的說明及定義，可知若一材料之晶體結構(crystal structure)與該材料是否具有壓電性有著直接的關係。當該晶體結構具有中心對稱 性(center of symmetry)時，該材料即不具有壓電性。
圖 2-2 (a)正壓電效應 (b)逆壓電效應示意圖
壓電效應最早是在 1880 年由 Curie 兄弟(Pierre Curie 和 Jacques Curie)所發 現， Curie 兄弟的實驗裝置如圖 2-3，實驗是以一片細長的石英片(單晶結構)，
兩側用金箔夾住接電極，其中一片接地，另一片則連接電壓計，若施予一垂直方 向的拉力，則電壓計可測量出石英片兩側之電壓差。1881 年，Gabriel Lippmann
由理論推測如果將此實驗反過來測試，若施一電壓於石英片上，則石英片應該會 發生形變，於是 Curie 兄弟設計了一個簡單的實驗來測量其微小的變化。他們使 用一個 1:100 的槓桿，並在槓桿尾端接觸一個細薄的玻璃片，槓桿的另外一端懸 掛細長的石英片，石英片兩側貼上金箔，一側接地，另一側連接高電壓裝置，當 施加電壓於石英片時石英片會發生形變，造成接觸玻璃片的槓桿尾端產生上下移 動。玻璃片外再加裝一個光學顯微鏡(放大倍率為 100 倍)，在光學顯微鏡的目鏡 刻畫上刻度，所以經由槓桿和此實驗裝置總共可放大 10000 倍來清楚觀察石英片 的形變量，如圖 2-4。
圖 2-3 Curie 兄弟的壓電效應實驗裝置圖[3]
圖 2-4 Curie 兄弟的逆壓電效應實驗裝置圖[3]
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1910 年，Woldemar Voigt 更嚴謹地使用張量分析定義了壓電常數，定出晶體 結構與壓電性的關係，他發現 20 種自然晶類具有壓電效應，並出版了「Lehrbuch der Kristallphysik」。1946 年，W. G. Cady 教授將早期的壓電效應的研究做了回顧 與整理，發表了「Piezoelectricity」一書[4]，但當時應用並不廣，多半應用在聲 波的產生器與接受器(聲納)，直到 1950 至 1960 間鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷和鋯鈦酸 鉛(Lead zirconate titanate,即 PZT)等材料被發現後，才廣泛地被應用在各種壓電裝 置，如感測器(sensors)、致動器(actuators)及電壓產生器(voltage generators)等，而 後才有掃描式穿隧電流顯微鏡在 1982 年被發明。
現今壓電材料主要的種類如下 [5]：
(1)單晶類(single crystal)：如石英(Quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)等。
(2)陶瓷類(ceramic)：如鈦酸鋇(BaTiO3)和鋯鈦酸鉛(Pb[ZrxTi1-x]O3，PZT)等。
(3)薄膜類(thin film)：如氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)等。
(4)聚合物類(polymer)：如聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
(5)複合材料類(composite)：如 PZT 和環氧樹酯的複合材料等。
2-2 穿隧效應
於是在 1924 年時，德布羅伊提出物質波假說(matter waver)，認為一切物質都應
9 上述Ψ(r，t)為粒子隨時間、空間變化之波函數(wave function)，現在我們簡化只 考慮一維且位能不隨時變之狀況下，可推得一維不隨時變之薛丁格波動方程式
11 則可以推導出重物的 response function(或 transfer function)：
0 2 04 2 2 2 22 2接著將外界震動源分成下列三種情況討論：
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