圖 3.1 實驗裝置全圖

三、實驗儀器

3.1 變溫式掃描穿隧顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope；STM）

主要組成為掃描頭、探針、樣品台、步進器、避震裝置及電子控 制系統。本實驗室所使用的 STM 為德國 OMICROM 公司引進的整組 設備。

a. 掃描頭：

利用結構堅硬的壓電材料製成，在普通的電壓源下工作。其位移 精密度可小於 1

A

^o 。

圖 3.1 實驗裝置全圖

b. 步進器：

讓樣品及探針緩慢靠近到足以發生穿隧電流的距離的機器，其步

距需小於 1000

A

^o ，步進頻率要大於 1kHz，否則非常耗時。

c. 避震裝置：

為了維持穩定的電子穿隧間距，任何頻率的震動都必須儘量屏 除。實驗室所使用的避震裝置除了懸吊彈簧之外，還有利用渦電 流的阻尼器，可以成功的防止各種不同來源的振動。

d. 電子及控制系統：

掌管步進器、偏壓大小、電流…等等電子電路。另外，由於穿隧 電流很小，須由低雜訊的訊號放大器來擷取訊號。拜電腦功能增 強所賜，實驗室控制各方面動作皆電腦化，而 OMICOM 的影像 分析軟體，可免直接分析較為原始且複雜的穿隧電流。

e. 控溫裝置：

配合控溫器（Temperature Controller）與加入液態氮，可使將樣 品控制在 90~450K 的溫度下進行實驗。但在高溫掃描時由於原 子具有較大的熱運動，使得掃描所得影像較為糢糊。

3.2 超高真空系統^【

⁹

^】【

¹⁰

^】

本次實驗所使用的主要儀器為 STM，但由於 STM 是極精密的表 面探測儀器，配合超高真空環境可以得到較佳的解析度（當然也有一 些其它的 STM 是可以在大氣下或是溶液中運作，而且也可以達到相 當好的解析度，但本文單就本人所使用的系統來介紹）。而超高真空 環境必須仰賴各式不同的抽氣幫浦才能夠達成與維持。以下就實驗室 常用的幫浦一一介紹。

a. 旋轉式幫浦（Rotary pump）：

一種常用的前級幫浦，利用旋轉的轉子來壓縮腔體內的氣體再排 出。此類幫浦可以在一大氣壓下啟動，可達到的最佳真空壓力為

10

^-3

torr 左右。一般旋轉式幫浦可依是否需要油脂潤滑再細分為乾 式幫浦和油封式幫浦。乾式幫浦價格較高；油封式幫浦價格較 低，但有腔體受到油污染的危險。本實驗室使用的是油封式幫 浦，搭配集油瓶可以有效的防止腔體受到油污染。

b. 渦輪分子幫浦（Turbo molecular pump）：

渦輪分子幫浦是利用高速旋轉的葉片，藉由葉片與氣體分子的碰 撞將動量轉移給氣體分子，使其得到往出口方向的動量向外排出 而 達 成 抽 氣 的 效 果 。 此 類 幫 浦 的 最 佳 工 作 壓 力 約 為 10

^-3

~10

^-10

torr，若工作時氣體壓力過大，氣體分子間碰撞的機率

便會大於氣體與葉片的碰撞機率，使得抽氣的效率降低並損壞葉 片。因此在使用時通常會先串聯旋轉幫浦作為前級幫浦，當壓力 達到最佳工作壓力後再啟動渦轉分子幫浦以增加抽氣效率及幫 浦壽命。另外，由於葉片旋轉的轉速很大（本實驗室所使用的渦 輪分子幫浦的最高轉速為 42krpm），旋轉時輪軸會因摩擦而產生 熱量。為避免幫浦的溫度升高而加快輪軸及葉片的磨損，我們會 使用風扇或冷卻水來幫助降溫。

c. 鈦昇華幫浦（Titan sublimate pump）：

將鈦燈絲通以 30A 以上的大電流，使其達到約 1580℃的昇華溫 度。昇華的鈦原子形成一層鈦薄膜，並和腔體內的氣體分子形成 穩定的固態化合物以幫助渦輪分子幫浦將其排出，或是離子幫浦 吸附。鈦昇華幫浦對於活性氣體的效果最好，但對於惰性氣體及

CH

4

、C

2

H

6

等活性低的氣體分子效果較差。此類幫浦的工作壓力 為 10

^-4

~10

^-12

torr，通常我們會在超高真空壓力下間歇地使用。

d. 離子幫浦（Ion pump）：

離子幫浦是一種吸附式的幫浦，利用不鏽鋼管為陽極，兩側分別 放入兩片鈦金屬平板作為陰極。並在兩極間施加以數千伏特的電 位差以使自由電子往陽極運動，再施以一外加的磁場使自由電子 的路徑為較長的螺旋狀路徑。過程中自由電子和腔體中的氣體分

子碰撞便會使其電離子化。電離子化後的正電離子受到高電位差 的作用往陰極加速撞擊鈦板。鈦被撞出表面後會形成一層鈦膜，

並和氣體分子化合成低蒸氣壓的固體。如果撞擊鈦板的離子具有 較高的能量則會發生掩埋作用（burial effect），離子將被植入陰 極內，藉此達成抽氣的效果。但是，對於不易被離子化的惰性氣 體而言，離子幫浦的抽氣效果明顯較差。

離子幫浦的工作壓力為 10

^-4

~10

^-12

torr，但由於此類吸附式幫浦並 非真正將氣體分子排出腔體之外，而是儲存在鈦板上，隨著時間 鈦板上會累積大量的氣體分子而使其抽氣速率明顯下降，此時必 需清洗或更換陰極鈦板。為了延長其使用壽命，我們先採用渦輪 分子幫浦抽氣，待壓力到達 10

^-9

torr 以下再讓離子幫浦接續抽氣 的工作。此外，離子幫浦工作時無震動及油污染，符合使用 STM 時低雜訊環境的需求。

3.3 真空壓力計系統^【

¹⁸

^】

實驗室中真空腔體壓力的變化可由一大氣壓至 10

^-12

torr，目前為 止沒有任可一個壓力計可以精確的量出如此大範圍的壓力。為了能夠 時時精確的知道腔體內的壓力，我們必須配合許多不同工作範圍的壓 力計組來協助我們監測真空度。以下介紹我們使用到的各式壓力計：

a. 派藍尼真空計（Pirani gauge）

派 藍 尼 真 空 計 是 利 用 氣 體 與 壓 力 相 的 熱 導 性 （ thermal

conductivity）來間接測量腔體壓力的壓力計，為現行中級真空環 境下最為廣泛使用的壓力計，工作壓力為 10

²

~10

^-3

torr。

b. 離子真空計（ionization gauge）

一種間接測量壓力的真空計，利用量測真空系統內剩餘氣體分子 的數量來推導出真空壓力的大小。在高真空環境中，氣體分子的 平均自由路徑（mean free path）變得非常大，若將真空中剩餘的 氣體分子游離，去量測氣體分子所形成的離子電流，即可由氣體 離子化之比率估算出剩餘氣體分子的數量，進而推導出真空壓力 的大小。依照將氣體離子化的方式不同，我們可以將其再細分為 冷陰極式（利用高電場產生電子，加速電子撞擊氣體分子使其游 離，工作壓力為 10

^-2

~10

^-10

）及熱陰極式（加熱鎢絲產生熱電子，

加速電子撞擊氣體分子使其游離，工作壓力為 10

^-2

~10

^-12

）二種。

3.4 殘氣分壓分析儀（RGA）^【

¹¹

^】：

依質譜儀原理，將真空中剩餘氣體離子化後經電場加速再經磁場 分離不同質量的分子。此儀器可以分析真空系統中所含氣體的種類及 其分壓，可以用來協助真空系統是否有漏氣的判定（若氧氣在腔體中 含量過大，則很可能有漏氣）及測定（配合氦氣進行定點測漏）。

3.5 離子槍系統（sputtering ion gun）：

一種破壞性較強的清潔系統，可除去表面鍵結較強的化學結構或 氧化物。將欲清潔的樣品放置陽極，將氣體（本實驗室使用氬氣）通 入腔體內，使氣體噴口朝欲清潔的樣品表面。控制氣體的流量與抽氣 設備的排出量一樣，使真空腔內的壓力維持在 10

^-4

~10

^-5

torr 間。將陽 極接地，加上負直流高電壓（~1kV）使氣體離子化並轟擊樣品表面，

如此則可達成樣品表面的清潔。

3.6 鍍源系統：

實驗流程中我們常要將不同的原子鍍到樣品上，再進一步的觀察 基底與吸附原子間的交互作用。為了控制吸附原子的數量及純度，我 們必須要有良好的鍍源系統，以下簡單介紹我們實驗室所使用的蒸鍍 儀器。

a. k-cell 蒸鍍槍（Kundsen-Cell Evaporator）：

所謂的 k-cell 蒸鍍槍，是指當其在蒸鍍時，先將要鍍的物質變成 過渡流（Kundsen-flow），然後吸附到樣品上。

我們將鍍源置放在熔化鍋（Crucible）內，利用通電流的方式加 熱附外圍的鉭片（Ta foil）加熱熔化鍋內的鍍源，當溫度夠高時，

鍍源便會由小蒸鍍孔蒸出，並擴散吸附到樣品上。由於在加熱時 會產生極高的溫度，外圍需通冷卻水，以保護內部電路不被損壞 及焊接點不會發生漏氣的現象。

圖 3.2 k-cell 蒸鍍槍簡圖

b. 分子束蒸鍍槍（Molecular Beam Evaporator）：

此種蒸鍍槍可以將原子一顆顆地鍍到樣品上。蒸鍍時先通電流於 鍍源前方的燈絲使其產生熱電子，然後在鍍源端加一正高壓，將 電子加速撞擊鍍源，利用高能電子將鍍源表面的原子離子化，被 離子化的原子同樣受場的作用加速脫離表面而飛向樣品。此類蒸 鍍槍所蒸鍍出的離子化原子帶電，可在出口處設一流量偵測儀

（flux monitor），可以偵測電子與鍍源離子的流量，配合控制器 的回饋電路可以穩定並精確的控制流量。

棒狀鍍源

細燈絲

流量偵測

圖 3.3 分子束蒸鍍槍簡圖

3.7 阻滯電場式分析儀（Retarding Field Analyzer）^【

¹⁰

^】：

阻滯電場式分析儀是表面儀器中常被用來使用在低能電子繞射

（LEED）裡的儀器，如再外加一些輔助用具，便可當作歐傑電子能 譜儀（AES）使用。

使用 LEED 時先將電子槍內部的燈絲加熱，使其放出熱電子，經 加速電壓（50~200V）加速使大部份的電子具有特定的能量，使電子 通過柵極撞擊樣品。少部份電子會經由樣品表面的晶格繞射而在螢光 幕上產生繞射圖形，藉由此圖形我們可以得知樣品表面所形成的周期 性結構；而大部份電子會與樣品產生非彈性散射，為了除去這些非彈 性散射的電子，我們會在螢幕前加一阻滯電場，使得繞射圖形更為明 顯可辨。使用 AES 時則會關掉螢幕前的阻滯電場，將原本的螢幕作 為集極，收集特定能量的歐傑電子，再透過電腦分析能譜。