第四章 實驗結果與分析

第四章 實驗結果與分析

4-1 Ir(210) Ir(210) Ir(210) Ir(210)面上皺化現象 面上皺化現象 面上皺化現象（ 面上皺化現象 （ （金字塔 （ 金字塔 金字塔） 金字塔 ） ）形成機制 ） 形成機制 形成機制 形成機制

為什麼鋪覆氧氣在 Ir(210)面上會誘發金字塔成長?其實是因為在 Ir(210)面上產生了皺化現象。那什麼是皺化現象呢？皺化現象（金 字塔）其實是因為晶格本身平衡形狀所造成。平衡晶格形狀是由每個 面單位面積的表面自由能所決定的。對於一個有固定體積的小晶格來 說，它自己本身會形成一個具有最小總表面自由能的結構（E＝

i i

A

∑ ^{γ ， γ}

^， i 指的是不同的密勒指數面） ，所以當產生表面能異向性 將會使平面產生皺化現象。

當這個現象發生時，原來的平面可能部分或者是全部被其他平 面所取代，這時雖然全部的表面積增加了，但是卻具有最小的總表面 能。而皺化現象通常都發生在較疏鬆堆積面，也就是具有低密勒指數 (Miller Index)的面取代排列疏鬆表面能高的面，比如像是體心結構 的（110）和面心結構的（111）等，這些面對於體心結構的（111）、

面心結構的（210）排列疏鬆的面都具有較小的表面能，因此在其他 學者的研究中都有發現藉由其他金屬或是氣體鋪覆在這些面上時，有 皺化現象的發生[38-48]。

然而對於面心結構的金屬銥來說，{311}和（110）這些面相較於

（210）面來說，都是較為堆積緊密的。如果要發生皺化現象，必須

面產生皺化結構須降低表面自由能並增大表面自由能的差異，才能使 結構趨於熱力學平衡而穩定。

如果要在銥（210）面產生皺化現象，成長出由兩個{311}面和一 個（110）面所組成的金字塔，必須符合下面這個條件：

0 )

cos(

/ )

cos(

311

1

− − <

=

∆ ^{E S} γ θ ^S γ θ γ ， 在左式數學式 中， ^S

γ

：面心結構(311)切面上全部的表面能量， ^S

γ

：面心結構 (110)切面上全部的表面能量； θ

：為(311)、(210)兩切面所夾角度，

理論計算為 19.29

， θ

：為(110)、(210)兩切面所夾角度，理論計 算為 18.44

； ^S

： 理論計算形成金字塔的(311)面的面積除以(210)面 的比值， ^S

＝0.7， S

_： 理論計算形成金字塔的(110)面的面積除以(210) 面的比值， ^S

＝0.3。

從上面數學式可知，表面能的異向性需到一個程度才能有皺化現象的 發生，所以如果是乾淨的銥（210）表面的話，其表面的異向性並不 足以產生皺化現象，但是如果我們鋪覆金屬或是外加氣體在銥（2 1 0）

面上，可能使它具有足夠的表面異向性進而形成皺化結構。

近年來，利用鋪覆氧氣在 Ir(210)面上 誘 發之 表面皺 化現 象相 關研究 ，最 早在 2004 年，I. Ermanoski[21]用低能電子繞 射顯微鏡(LEED)觀察鋪覆氧氣在 Ir(210) 面上時，發現會產生表面皺化現象，如圖 4-1-1 所示。他們研究方法為把氧氣放到腔 體中，使其壓力到達 2×10

torr 後，開始

Fig 4-1-1 低能電子繞射顯微鏡(LEED)

觀察鋪覆氧氣在 Ir(210)面上，在不同

對 Ir(210)表面加熱，發現溫度介於 600K~850K 之間時，Ir(210)表 面會形成金字塔的結構。

另外在 2005 年，I. Ermanoski[49]用掃描穿遂顯微鏡(STM)再對 Ir(210)面的氧氣誘發之金字塔現象做研究，但他們所用的實驗條件 與之前用 LEED 研究的條件有所不同，他們是把氧氣注入腔體中，使 其壓力維持在 1×10

torr，維持一分鐘，然後瞬間加熱到 1800K，在 使其冷卻回到室溫，發現能在 Ir(210)面上形成金字塔的結構，如圖 4-1-2 所示。

I. Ermanoski, et al, Surface Science 596, 89 (2005

因此，在掃描穿隧顯微鏡中利用氧氣舖覆在 Ir(210)表面上，誘發形 成的金字塔現象已有 Ermanoski 做了相關的研究[21，49-51]，從其 研究指出 Ir(210)面會形成金字塔，但是否會形成單原子尖端卻有待 證實，因此希望利用場離子顯微鏡來對此現象作研究，進而證明可形 成單原子尖端的金字塔結構，變成銥單原子針。

I. Fig 4-1-2 Ir(210)面上氧氣誘發金字塔的 STM 圖形[49] manoski, et

4-2 場離子顯微鏡研究 場離子顯微鏡研究- 場離子顯微鏡研究 場離子顯微鏡研究 -- -在 在 在 Ir(210) 在 Ir(210) Ir(210) Ir(210)面上鋪覆氧氣誘發之金 面上鋪覆氧氣誘發之金 面上鋪覆氧氣誘發之金 面上鋪覆氧氣誘發之金 字塔現象研究

字塔現象研究 字塔現象研究 字塔現象研究

實驗研究內容為場離子顯微鏡：金字塔成長條件與組成結構研究 一

一 一

一、 、 、 、銥單原子針的可能性 銥單原子針的可能性 銥單原子針的可能性 銥單原子針的可能性

在分析鄭天佐實驗室的研究成果之前，先說明為什麼銥針有機 會成為單原子針。原因為一般製作場離子顯微鏡所需金屬針的方式皆 是以電化學蝕刻一條細金屬線開始，得到曲率半徑約 50-100 nm 的金 屬針，針本身為了能保持最低的整體表面自由能，降低裸露面積，由 微觀上來看，針頂端並非尖狀，相反的，針端往往是以接近半球狀的 多角形構成，而且隨著在真空中加熱的溫度或次數，針端也將越來越 圓鈍。在針尖的曲面上，包含了許多不同米勒指數平面，此時針尖的 整體表面自由能，除了考慮表面積外，同時也要將不同米勒指向平面 的 表 面 能 異 向 性 (surface energy anisotropy) 列 入 考 慮 ， 即

. min

=

∑ ⋅

= S

G γ _其中γ

是指針尖某一(hkl)的單位面積 表面能，S

是指某一面的面積，Σ (summation)意味著將所有針尖上 各不同指向的的表面能相加，總而言之，表面能異向性是影響皺化現 象是否會發生的原因，有皺化現象才有可能形成金字塔結構，近而產 生具有單原子尖端的單原子針。

所以我們藉由 Madey[21,36-38]的研究結果得知，在銥針上鋪覆

氧氣時，氧氣會使銥表面產生表面能異向性變大，在 Ir（2 1 0）面

上產生由 2 個（3 1 1）面和一個（1 1 0 ）面所形成的金字塔形皺 化結構，所以有機會能製作出銥單原子針。

銥單原子針有什麼樣的優點呢？Ir 為活性很低的金屬且原子的 結合能大小也高（參考下表 4-1-3） ，使用更穩定的金屬原子 Ir 為本 論文分析的主角，可讓成長完成金字塔後，形成的單原子針更長保存 期限，在使用上而言，較高的結合能可讓在金字塔上的單原子能夠承 受較高的電壓，如做為一個離子源發射器，將有更大的工作範圍而不 會導致金字塔的損壞[15]。

原子半徑原子半徑 原子半徑原子半徑

(

晶格常數 晶格常數晶格常數 晶格常數

(

結合能 結合能結合能 結合能

(eV/atom)

功函數 功函數 功函數 功函數

(eV)

場蒸發 場蒸發場蒸發 場蒸發

(MV/cm)

Pd 1.38 3.89 3.89 4.99 3.63

Pt 1.39 3.92 5.84 5.32 5.04

Rh 1.35 3.80 5.75 4.8 4.44

Ir 1.36 3.84 6.94 5.0 6.05

W 1.41 3.16 8.90 4.52 6.90

Fig 4-1-3 金屬特性比較圖[15]

二 二

二 二、 、 、 、場離子顯微鏡研究成果簡介 場離子顯微鏡研究成果簡介 場離子顯微鏡研究成果簡介 場離子顯微鏡研究成果簡介

在鄭天佐實驗室中所進行的銥單原子針的研究步驟是，先將蝕刻後的

銥針放入 FIM 的真空腔體中(此時背景壓力為 2~5×10

torr)，經過加

熱釋氣清潔及原始銥針表面進行場蒸發的動作後，得到了一完整的表

看到的原子影像圖互相對照，找到 Ir(210)切面，這時再利用釋氣閥放 入氧氣，一開始先使腔體中氧氣的壓力為 6×10

torr，同時對針外加 適當正高壓(電壓值因針不同而有所不同)二到五分鐘，目的是清除吸 附在表面上的碳原子，之後再把高壓除去，使針在腔體中有氧氣的情 形下，加熱一段時間，觀察是否有皺化現象產生。

Fig 4-2-1 乾淨的銥針表面(左)與面心結構的立體投影圖(右) (中研院鄭天佐實驗室的 實驗成果。)。

Ir(100)

Ir(311) Ir(311)

Ir(311)

Ir(311)

Fig 4-2-2 針尖表面全圖，經過加熱與場蒸發後可得到較平整的針尖表 面，接著判斷出各個切面的種類，由圖中看見幾個較大的切面，而 Ir(100) 位於右上方，周圍可看到 4 個 Ir{311}切面；兩個{311}切面，中間有一個 Ir(210)切面；另一個 Ir(110)切面位於螢幕左下方。

Ir(100)

Ir{311}

Ir{311}

Ir(210)

Ir(110)

Ir(110) Ir(100)

Ir(210)

Ir{311}

Ir{311}

實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析

首先進行的為金字塔成長條件分析，換句話說就是以鄭天佐實驗所得 的成果分析並找尋最佳的加熱時間、氧氣曝氣量、及加熱溫度等製備 單原子針的製程條件。

1.退火溫度效應 退火溫度效應 退火溫度效應 退火溫度效應

先固定腔體中氧氣的量，將其壓力維持在 6×10

torr，然後用電源供 應器給提供架針迴路電流加熱，其中電壓與溫度關係如下圖 4-2-4；

用不同的溫度加熱，加熱的時間均一樣只有五分鐘。從 450

C 到 580

C 總共取十個不同的溫度。連續從低溫作到高溫，再從高溫作到低溫，

如下頁圖形 4-2-4 所示。

400 450 500 550 600

0.2 0.3 0.4 0.5

外加電壓 溫 度 (

C )

Fig 4-2-4，關於針上面的加熱溫度，使用測溫槍來量溫度，再用線性回歸的方

式，推估外加電壓較小所產生的溫度，而找出溫度與外加電壓的關係。

低溫到高溫

450

C 460

C

480

C

490

C

500

C 510

C

530

C 540

C

550

C

Fig 4-2-5 FIM 影像(低溫到高溫)。中研院鄭

天佐實驗室的實驗成果。

從低溫到高溫的過程，由如圖 4-2-5FIM 影像中，可以發現前面四個 溫度從 450

C 到 490

C 時， 因 2 個{311}面和一個（110）面並未會 聚在一起，所以不會只看到 3 條由 2 個{311}面和一個（110）面所構 成的稜線。

但當溫度是從 500

C 到 530

C 時，可以清楚看到 3 條稜線，表示這個 溫度範圍可能是成長金字塔的適當溫度。而從 540

C 到 550

C 時，金 字塔的稜線有開始散亂的現象，這個結果暗示著這個溫度範圍已經開 始讓金字塔結構產生退化的現象，2 個{311}面和一個（110）面的相 互競爭的結果已不能剛好形成 3 條稜線，而會像在一開始那 4 個溫度 範圍一樣，會有多的稜線出現。

為了能更具體的證明由此初步成果的推測，再以低溫到高溫的圖

形（如圖 4-2-5），進行對稱性的分析，也就是分別對它們的長度以

及所夾的角度進行對稱分析，然後再得到每個溫度的對稱偏差，如果

所得的對稱偏差越小的話，表示所得到的結構最具對稱性，也就是說

在這個溫度下，會形成結構較佳的金字塔，便會有很大的機率，會形

成具有單原子頂端的金字塔結構。

從 FIM 圖形中，都會觀察到有三條稜線，由{311}和(110)所構成的兩 條稜線，理論上應該相同，由上面的理論模型圖 4-2-6 中，左邊的三 角模型來定義我們的數據，所以對這兩條稜線進行長度對稱分析，計

算長度對稱偏差定義為

2 L L

L -

3 2

3 2

+

L ，如果得到值越小，表示兩邊的長度

差異不大。

同樣的原理，由理論上由 {311}和(110)所構成的兩條稜線和由兩個 {311}構成稜線所夾的角度，這兩個角度應該相同，也就是上面左邊 模型中的角度 1 和角度 2 應該相同，所以角度對稱性偏差定義為

2 1 2

1 - 2

∠ +

∠

∠

∠ ，，如果得到值越小，表示兩邊的角度差異不大。

Fig 4-2-6，金字塔的理論模型與相對應的三角形簡圖

{311} {311}

(110) 131.27

131.27

97.46

之後再把這兩個對稱偏差量相乘，得到的值，稱為對稱偏差，偏差值 越小，表示所得的結構越具有對稱性，下面就是對稱偏差對溫度的圖 形 4-2-7，我們只取五個溫度，因為從 450

C 到 490

C，尚未形成清 楚的三條稜線，所以不進行分析。

Fig 4-2-7 對稱偏差圖形(低溫到高溫)

可以從圖形 4-2-7 中清楚地發現從 510

C ~530

C 時會有較佳的對稱性 出現，過了這個範圍之後，對稱偏差越來越大，所以適合的成長溫度，

應為 510

C ~530

C 這個溫度範圍之間。

此外，由理論模型畫出的金字塔模型中，如果結構良好的話，堆積比 例應該跟理論接近，以角度來當堆積比例，從理論推知

3 2) 1(

∠

∠

=

∠ 的值

為 1.37，所以計算每個圖的堆積比例，算法是

3 2

2 1

∠

∠ +

∠

，得到的值便

溫度 (

C)

500 510 520 530 540 550 560

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

對稱偏差

低溫到高溫

是堆積比例，然後在算其對理論值的偏差，算法是

1.37 1.37 3 -

2 2 1

∠

∠ +

∠

，得 到的值便是堆積比例偏差，這個值的正負，有其物理意義，當值為正 時，表示這個時候{311}的擴散比(110)的擴散快；反之，當值為負時，

表示這個時候(110)的擴散比{311}的擴散慢。因為這三條稜線之所以 會形成，其實就是這三個面互相競爭，平衡後所得的結果，如圖 4-2-8 所示。

Fig 4-2-8 堆積偏差示意圖，表示{311}面及(110)面的面積變化。

(110)>{311} 平衡 (110)<{311}

{311} {311}

(110)

{311} {311} {311} {311}

(110)

(110)

Fig 4-2-9 堆積偏差圖形(低溫到高溫)

可以從上面的圖形 4-2-9 中發現，溫度從 500

C ~530

C 這個區間時，

（110）面的擴散強度大於{311}面，而在其他溫度時，都是{311}面 的擴散強度大於(110)面，表示在這個範圍之中才有可能長出結構良 好的金字塔。

所以跟前面的對稱偏差互為比較的話，可以說加熱溫度介於 500

C

~530

C 這個區間時，很有可能長出結構良好的金字塔。

最後，以面積對溫度的分析，因為理論上，一但形成結構良好的金字 塔時，這時對照我們的三角模型，應該會有最大的三角形面積，所以 我們也算出每個不同溫度所得到的 FIM 圖形中得到的面積 A，再算其 平均面積值 A

，

然後在算其相對比例，算法是

av av

A A -

A ，得到的值，我們定義為面積比

堆積偏差

500 510 520 530 540 550 560

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

溫度 (

C) 低溫到高溫

(110)>{311}

(110)<{311}

例，再用其值對溫度做圖，如下圖 4-2-10：

從圖形 4-2-10 中的趨勢可以得知，溫度介於 500

C ~510

C 會形成較 大面積的金字塔，也就是得到良好的金字塔結構。

因而，藉由對稱偏差、堆積比例、面積比例的分析之後，可以定性證 明，當溫度介於 500

C ~530

C 時，最適合成長金字塔，如圖 4-2-11。

面積比例

500 510 520 530 540 550 560

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

溫度 (

C)

低溫到高溫

500 510 520 530 540 550 560

-0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

對 稱 稱 稱 堆 積 積 積 (/10) 參 參 參 面 積 積 積 (/10)

數值

低溫到高溫

Fig 4-2-10 面積比例圖形(低溫到高溫)

Fig 4-2-11 綜合分析圖形(低溫到高溫)

高溫到低溫

從圖 4-2-12 為高溫到低溫熱處理後觀察的結果中，可以發現在 500

C

～450

C 時，所呈現出來的稜線相當清楚且漂亮，而且可以發現從高 溫到低溫的過程中，用越低的溫度去進行加熱，對金字塔稜線的影響 似乎不大，相較於前面從低溫到高溫的過程中，越高溫度對金字塔稜 線的影響就明顯很多。

580

C

560

C 550

C

540

C 530

C 510

C

500

C 490

C 480

C

450

C

Fig 4-2-12 FIM 影像(高溫到低溫)。鄭天佐實驗室的

實驗數據。

因此，從這個溫度分析結果可以發現溫度對於金字塔的成長是單向性 的，溫度如果從低溫慢慢做到高溫時，可以發現金字塔只會在某一個 溫度範圍中，呈現清楚的三條稜線，溫度如果升的太高，反而會使金 字塔呈現退化，而產生一些多出來的稜線或是不規則的稜線。

但是如果是高溫到低溫的過程中，可以發現低於一個溫度之後，

成長出來金字塔的稜線相異不大，表示如果要對金字塔的稜線進行破 壞的話，唯有用高溫才有影響，在低溫的環境下，金字塔的結構是維 持穩定的，因此，顯現出來的稜線都差異不大。

為了更深入去分析從高溫到低溫過程中的圖形數據，一樣地也對 他們進行對稱偏差、堆積偏差、面積比例的實驗分析。

一、對稱偏差分析

從圖形 4-2-13 中，可以發現當溫度小於 540

C 時，對稱偏差便大幅

440 460 480 500 520 540 560 580

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

對稱偏差

溫度 (

C) 高溫到低溫

Fig 4-2-13 對稱偏差圖形

(高溫到低溫)

下降，而下面幾個溫度的對稱性差異不大，這個結果暗示 540

C 這個 溫度可能是金字塔會產生退化的臨界溫度，表示在進行加熱時最好不 要超過這個溫度，否則可能得不到最好的金字塔結構。

我們也從低溫到高溫和從高溫到低溫比較圖中，如圖 4-2-14，

發現金字塔的成長溫度應介於 510

C~540

C 之間。

Fig 4-2-14 對稱偏差圖形(高溫到低溫和低溫到高溫)

對稱偏差

440 460 480 500 520 540 560 580

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

低 低 到 高 低 高 低 到 低 低

溫度(⁰C)

二、堆積偏差分析:

Fig 4-2-15 堆積偏差圖形(高溫到低溫)

圖形 4-2-15 中可以得知從 500

C~510

C 時，成長出來的金字塔比例，

最接近理論模型，也在這個溫度範圍時，才會長出最好比例的金字塔 結構。

Fig 4-2-16 堆積偏差圖形(高溫到低溫和低溫到高溫) 堆積偏差

440 460 480 500 520 540 560 580

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3

溫度 (

C) 高溫到低溫

(110)>{311}

(110)<{311}

4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0

-0 .3 -0 .2 -0 .1 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3

高 低 到 低 低 低 低 到 高 低

溫度 (

C) 堆積偏差

(110)>{311}

(110)<{311}

從高溫到低溫和從低溫到高溫的比較圖 4-2-16 可知，溫度介於 500

C~510

C 時，成長出的金字塔堆積比例最接近理論模型。

三、面積比例分析：

Fig 4-2-17 面積比例圖形(高溫到低溫)

從圖形 4-2-17 中可發現在 510

C~500

C 時，會形成最大面積的金字 塔，跟前面的對稱偏差分析和堆積比例分析的結果均符合。

再把從低溫到高溫和從高溫到低溫的圖形互為比較的話，如圖 4-2-18 所示：

440 460 480 500 520 540 560 580

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

高 低 到 低 低 低 低 到 高 低

面積比例

溫度 (

C)

面積比例

440 460 480 500 520 540 560 580

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

溫度 (

C) 高溫到低溫

.

Fig 4-2-18 面積比例圖形(高溫到低溫和低溫到高溫)

從圖形 4-2-18 中證明了 500

C~510

C 的溫度範圍，是最適合成長金 字塔的溫度。

Fig 4-2-19 綜合分析圖形(高溫到低溫)

綜合低溫到高溫和高溫到低溫的實驗結果分析，如圖 4-2-19，說明 了用電源供應器給針外加電壓 0.40~0.42V 時(約 500

C~510

C)，最適 合成長出理想的金字塔稜線，所以就用這個溫度範圍，再去找適合的 加熱時間，和氧氣的曝氣量。

440 460 480 500 520 540 560 580

-0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

對 稱稱 稱 堆 積 稱 稱(/10) 參 參參

面 積 積 積(/10)

高溫到低溫

數值

溫度 (

C)

2.氧氣被覆量效應 氧氣被覆量效應 氧氣被覆量效應 氧氣被覆量效應

為了找出適合的氧氣壓力，鄭天佐等人的研究中，曾嘗試了八個不同 壓力值，觀察金字塔成長行為，將樣品溫度維持在 60K，放入氧氣並 同時對針以約 570

C 加熱五分鐘，之後把氧氣抽掉，觀察稜線。觀察 完之後，對針以約 840

C 加熱三分鐘，破壞其金字塔結構，再換其他 壓力重複實驗，比較其差異，如下圖 4-2-20 所示。

P=2 × 10

torr P=5 × 10

torr

P=1 × 10

torr P=2 × 10

torr

P=4 × 10

torr P=6 × 10

torr

P=8 × 10

torr P=1 × 10

torr

Fig 4-2-20 鄭天佐等人在不

同氧分壓下成長銥單原子針

之 FIM 影像。

從上面的實驗結果，巨觀上可發現當氧氣的曝氣量為 2×10

×5×60 torr．s = 6×10

torr．s 時，所呈現出來的稜線最為漂亮，推論此 壓力應最適合拿來成長金字塔。

為了得到更有力的說明，我們一樣對其成果進行對稱偏差、堆積偏 差、和面積比例的分析：

ㄧ ㄧ ㄧ

ㄧ、 、 、 、對稱偏差分析：

Fig 4-2-21 對稱偏差圖形

從圖形 4-2-21 分析，很清楚可以說明當壓力為 2×10

torr 時，所產 生的金字塔稜線對稱性最佳；但是如果用 8×10

torr 時，對稱性也是 很好。

對稱偏差

0 2 4 6 8 10 12

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

壓力 ( × 10

torr)

二 二 二

二、 、 、 、堆積偏差分析：

.

從圖形 4-2-22 的結果可以發現用 6×10

torr 時，所長出的金字塔的 堆積比例最接近理論模型，而用 1×10

torr 和 2×10

torr 壓力時，堆 積比例也相當接近理論值。

三、面積比例分析:

0 2 4 6 8 10 12

-0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15

壓力 ( × 10

torr)

堆積偏差

(110)>{311}

(110)<{311}

0 2 4 6 8 10 12

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4

壓力 ( × 10

torr)

面積比例

Fig 4-2-22 堆積偏差圖形

Fig 4-2-23 面積比例圖形

從圖形 4-2-23 中可知，當壓力為 1×10

torr 和 2×10

torr 壓力時，

金字塔稜線所圍的三角形面積最小。

所以從三種實驗分析的結果，如圖 4-2-24，均能說明氧氣壓力為 2×

10

torr，最適合拿來成長金字塔。

3. 單原子針最佳成長條件 單原子針最佳成長條件 單原子針最佳成長條件 單原子針最佳成長條件

經過了完整數據統計分析後，最佳銥單原子的成長條件為先把氧 氣放入腔體內，使其壓力 2×10

torr，同時對銥針加熱，使其溫度約 為 510

C ，加熱 5 分鐘，完成之後，把氧氣抽掉。經過逐層的場蒸 發，直至金字塔出現基底(210) 、{311}、(110)面的結構後，再用上 述所提及的條件，再把氧氣放入腔體中，並對銥針加熱到 450~500

C，

0 2 4 6 8 10 12

-0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03

對 稱 稱 稱 堆 積 稱 稱(/10) 參 參 參

面 積 積 積 (/10)

數值

壓力 ( × 10

torr)

Fig 4-2-24 綜合分析圖形(氧氣壓力)

幾分鐘之後，便有極大的可能，會形成具有單原子尖端的金字塔結構。

藉由由下面三張實驗取得影像-圖形 4-2-26~4-2-28，來說明金 字塔的成長機制，其形成過程為原來的 Ir(210)切面被金字塔所取 代，在(210)面周圍兩個{311}切面和 1 個(110)往外擴張，並將(210) 切面取代，形成單原子尖端的金字塔結構。

Fig 4-2-26 金字塔稜線。 （中研院鄭天佐 實驗室的實驗成果。）

311

311

110

Fig 4-2-27 逐層蒸發金字塔所得基底影 像。 （中研院鄭天佐實驗室的實驗成果。）

110 311

311 100

210

Fig 4-2-28 金字塔影像。

（中研院鄭天佐實驗室的實驗成

果。）

提出逐層場蒸發金字塔這個動作原因是，是因為金字塔上層原子 堆疊的不是很好，利用場離子顯微鏡獨有的場蒸發機制，把上面幾層 堆疊不好的原子藉由電場作用去除，而把堆疊良好的基底保留，再通 入氧氣，用找到最適當的條件再對其加熱一次，則有很高的機會得到 良好的金字塔結構。這也是我們如果得到的是不好的稜線時，為什麼 不用對針加熱的方式，根據 Madey 等人研究要在銥(2 1 0)面上長出金 字塔，有一定的溫度範圍，大約介在 600K~850K，大於這個溫度範 圍之外會把金字塔結構破壞掉，退化成原來銥(210)面，如果針尖結 構長的不好，總是對針加熱到約 1000K，使針表面不好的金字塔結構 退化成原來的銥(2 1 0)面，可是用這種方式得到的形成單原子尖端的 條件，下次再用相同條件去長時，卻很難得到相同的結果，因為當對 針做加熱的動作時，雖然可以把金字塔結構破壞掉，但這同時也把原 本堆好的原子基底也破壞了，也就是不能確定每次對針加熱破壞金字 塔結構時，對原來的銥(210)面的結構造成多大的改變，所以才會造 成相同的實驗條件，卻很難得到相同結果的原因，而且用這種方式得 到的金字塔稜線常比較彎曲，原因就是基底結構因為加熱造成了變 化，使堆積出來的金字塔下礎不正上樑歪所造成。

利用逐層場蒸發的方法，保留結構良好的基底，再對其加熱的方

式，所得到能形成良好金字塔的條件，重複試驗大多能長出相同的金

使其溫度到 510

C,同時放氧氣到腔體使其壓力維持在 2×10

torr,經 過約 5~10 分鐘之後，就能長出具有單原子尖端的金字塔結構。

利用逐層的場蒸發動作來對金字塔的每層結構做研究，觀察過程 中，大抵金字塔的結構與其他研究中成長之金字塔相同。在多次觀察 中發現，當加高壓於針尖觀察場離子影像時，利用場蒸發的方法由最 上層往下依序場蒸發觀察金字塔的結構可發現原子的排列狀態分為 第一層一顆，往下場蒸發依序為三顆、十顆…如下圖 4-2-29 所示。

Fig 4-2-29 金字塔逐層結構與稜線（中研院鄭天佐實驗室的實驗成果。） 。

上視圖 側視圖

由(110)面 觀之

由(311)面 觀之

Fig 4-2-30 不同視角的

金字塔結構圖

上視圖

( 1 1 0 )面面面面

[-1 2 0]

[0 0 1]

Fig 4-2-31 金字塔理論結構圖

去除一層(110)

Fig 4-2-32 金字塔結構前三層 1、3、

10 顆，形成過程圖