STM細部結構和影像擷取概述

描穿隧顯微鏡的主要組成包括：掃描頭、探針、樣品台、步進器、

避震裝置、電子及控制系統，如圖2.2.2.1 所示：

掃

圖2.2.2.1 STM 簡圖：(1)壓電管(掃描頭)；(2)探針；(3)樣品和樣品台；(4)STM 影像(電腦)；(5)回饋電路。

(1) 掃描頭(Scanner)：STM 能精準地控制探針的上下及左右掃描，應歸功於 一種特殊材料－壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)，壓電陶瓷是一種會隨 著電壓變化而僅微小改變長度(或厚度)的材質，它可用來建構 STM 的 掃描頭，分別控制 x、y、z 三個互相垂直的軸，而金屬針就位於 z 軸上。

進行掃描時，施加電壓在 x、y 軸，可驅動金屬探針在樣品表面連續來 回掃描；同時施加電壓於 z 軸，使之隨著回饋電路，

僅結構堅硬，用普通電壓源即可提供小於 1 Å 的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。經過這些年的發

(2)

調整當穿隧電流高 於設定值，z 軸後縮使穿隧電流減少；若低於設定值則伸長。壓電材料 (Piezoelectric materials)不

展，目前最普遍的模式是以壓電陶瓷管鍍上金屬，然後在外壁均分為四 極做平行於樣品表面(x 和 y 方向)的掃描；內壁相對於外壁做探針及樣 品間距(z 方向)的調變。掃描的範圍是由陶瓷管的長度、管壁的厚度、

管徑及所加電壓的大小來決定，一般都可達幾個 μm。掃描頭前端可接 探針或樣品。

探針(Tip)：一般都是用 0.38 mm 的鎢絲(Tungsten)，以電化學的方法，

在 NaOH 溶液中腐蝕，針尖的直徑大都在幾百個 Å 的範圍。具高解析 (Stepper motor)、尺蠖(Inchworm)式及滑動(Slip-stick)式等。

避震裝置(Vibration isolation)：為了維持穩定的電子穿隧間距，不同頻率

(6) 邏輯放大器(Logarithmic amplifier)：如 2.2.1 節的原理得知，穿遂電流密

電子及控制系統(Electronics and controller)：該部分含回饋電路及電腦介 面，如圖 2.2.2.4 所示。回饋電路的主要目的是以差分放大器(Differenti amplifier)來驅動

電子穿隧間距。電腦介面主要是以多個數位／類比

轉換器，連通電腦以控制操作的流程。目前，因為電腦功能的增 控制系統有愈趨數位化的傾向，使儀器的操作更簡單

儲存及處理更方便。

圖 2.2.2.4 STM 回饋線路簡圖。

(8) 電腦(Computer)：電腦的功能在執行控制、協調、運算、及即時顯像等；

其後續之功能則在影像儲存、分析、及處理方面。

STM 擷取影像的工作模式可分為三種型態：

(1) 定電流取像法(Co 的穿隧電流(約 1nA)

為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關

使穿隧電流維持 固定值，如圖 2.2.2.5 所示；因此，以探針的高度變化來成像，就反映

(2)

能太大，否則極容易損壞探針。

nstant current mode)：該法是以設定

係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。當探針在樣品表面 掃描時，探針必須隨表面之起伏調整其高度(即 z 值)，

出樣品表面的形貌。

定高度取像法(Constant height mode)：該法乃是直接以穿隧電流值來呈 像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致 探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變，如圖 2.2.2.6 所示。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範 圍內的樣品表面起伏不

圖 2.2.2.5 定電流取像法。 圖 2.2.2.6 定高度取像法。

(3) 電流密度取像法(Current imaging tunneling spectroscopy, CITS)：該法乃 定 電流模式為架構，讓探針在回饋系統的控制下，在掃描過程中保持一定 結合了上述兩種方法，並在其中引進偏壓調變為取像變數，作法是以

的探針/樣品間距。然後在每一點，瞬時切斷回饋作用，並利用這段期 間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。

一般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合 起來，即構成一幅二維電流密度分佈圖。以此法取像，因回饋系統必須 不斷地開關，比較費時(約需幾分鐘)，且做一次，其實等於儲存了上百 個影像的資訊，記憶容量需求很大，不過，以現代的電腦容量，這已不 是問題。

2.3 探針製作、樣品準備及溫度量測