试验二十五扫描穿隧式显微镜stm-交通大学.pdfVIP

實驗二十五 掃描穿隧式顯微鏡 (STM) 實驗目的： 掃描穿隧式顯微鏡成像原理是利用量子物理穿隧效應，而產生穿隧效應尺度為 10 nm 以下的距離。本實驗藉由操作掃描穿隧式顯微鏡，並觀察穿隧電流變化，而後再控 制壓電材料與外加電壓影，使探針在樣品表面來回掃描，進而取得奈米級的表面圖像。 本實驗所使用的樣品包含 700 nm的溝槽、直徑為幾十奈米的金顆粒與幾奈米高度 的石墨台階，讓學生感受奈米級顯微鏡的高解析度。   實驗儀器： Nanovie STM Educa 儀器架構可分為三大系統，分別為機械主體、電子控制盒與奈 米影像處理暨分析軟體。經特殊設計，Nanovie STM Educa 儀器可於非真空與非超低溫 環境下，穩定取得專業等級之表面圖像。 「機械主體」採開放式設計，由掃描元件、探針座、樣品座、掃描基台、精密歩進 元件、攝影機與避震元件所組成。「電子控制盒」用以控制掃描元件並取得樣品表面之 拓撲數據，包含 I-Gain 與 P-Gain 旋轉控制鈕用以反應速率與反應位移量。經由網路線 提供偏壓控制掃描元件與 SMA線取得探針與樣品間之穿隧電流值再透過 NanoControl 程式設定各項參數並對樣品進行掃描。 圖一 Nanovie STM Educa 機械主體 國立交通大學 物理實驗手冊 掃描穿隧式顯微鏡 (STM)   25-1 號 名稱 號 名稱 號 名稱 a 避震框架 f 掃描元件 j 網路線插座 b 避震彈簧 g 裝卸用固定螺絲 k SMA插座 c 粗調螺絲 h 樣品座 m CCD 攝影機 d 細調螺絲 i 探針座 n 攝影機 USB線接頭 e 掃描主體 (上下基板) 圖二 Nanovie STM Educa電子控制盒 實驗原理： A. 掃描穿隧式顯微鏡之源起 Dr. G. Binnig 、Dr. H. Rohrer 與 Dr. Ch. Gerber 於1980年代初期，在 IBM 瑞士 Zurich 實驗室，將金屬探針 (其尖端曲率直徑約10-100 nm)與樣品表面距離約1 nm ，經由 外加偏壓使其產生穿隧電流的效應，固定探針與樣品表面間的穿隧電流來對樣品進行掃 描，進而發展出「掃描穿隧電流顯微鏡」 (Scanning Tunneling Microscope, STM) 。 此技術最常被用來觀察樣品表面之微奈米結構、晶體表面之重構、原子結構與表面 電子密度分佈情形。 STM 取得樣品表面三度空間形貌之原理，主要是利用穿隧電流所提供之回饋訊號， 使探針維持在表面上約 1 nm的距離，即探針與樣品間距離保持固定。再控制掃描器水平 (XY軸 ) 方向位移，並取得垂直(Z軸 ) 方向之距離。 國立交通大學 物理實驗手冊 掃描穿隧式顯微鏡 (STM)   25-2 如圖三所示，可藉由掃描過程所記錄水平方向與垂直方向三個位移數值，再經由軟 體描繪樣品表面形貌。 圖三 探針與樣品表面示意圖 B. 穿隧效應 在古典力學中，當運動粒子其能量 E低於位能障 U時，粒子穿越此位能障的機率 為零。 1923 年德布羅依提出物質波假說，假設一個能量為E 且動量為p的微觀粒子， 在運動過程中，可展現出以波長 λ且頻率 v 之波動特性，故將此特性稱為物質波。此微 觀粒子波動與動量 p 及能量 E的關係式如下所示： h P 2