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掃描穿隧顯微術 Scanning Tunneling Microscope

掃描穿隧顯微術 Scanning Tunneling Microscope. 指導老師：朱志良 教授 報告者：陳建銘 學號： MA21V101. 前言. 光學顯微鏡於 1830 年代後期 被發展出來增進人類微觀視野， 使人類 “ 看 ” 到了致病的細菌、微生物和微米級的微小物體， 傳統的光學顯微鏡所能提供的最佳解析度，大約等於其使用光源的波長 (~1  m) ， 這樣的解析度已不符目前的需求。

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掃描穿隧顯微術 Scanning Tunneling Microscope

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Presentation Transcript

  1. 掃描穿隧顯微術Scanning Tunneling Microscope 指導老師：朱志良 教授 報告者：陳建銘 學號：MA21V101

  2. 前言 • 光學顯微鏡於1830年代後期被發展出來增進人類微觀視野，使人類“看”到了致病的細菌、微生物和微米級的微小物體，傳統的光學顯微鏡所能提供的最佳解析度，大約等於其使用光源的波長(~1m)，這樣的解析度已不符目前的需求。 • 掃描穿隧顯微術起源於1980年代初期此技術有效並穩定地操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原子的排列具體地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現象。 圖一.1981年比尼格和羅勒發明了掃描隧道顯微鏡 在1986年，發明者即因此獲頒諾貝爾物理獎

  3. STM機台架構介紹 2.壓電控制掃描器 壓電晶體會隨著所受電壓的高低而產生非常微細的收縮 或膨脹。用於控制掃描尖端的水平位置 x，y，和z 3.距離控制器和掃描裝置 使用壓電原理控制位置的 精確度要求很高，因此需 要一個控制器粗略地把掃 描尖端帶到接近樣本的位 置，然後才讓壓電控制發 揮作用。 1.掃描用的尖端 電子從掃描尖端 穿隧到樣本，產 生穿隧電流。 4.隔振系統 STM 用於測量極微細的位置，因此隔振是非常重要的。 5.計算機計算機記錄穿隧電流並控制施加於壓電管的電壓，以產生樣本表面的三維圖形。

  4. 原理 • 掃描穿隧顯微鏡是利用 "穿隧效應" 的原理，當探針與樣品間距離很小時，在兩者之間加上微小電壓，則電子就會在樣品與探針間形成穿隧電流。 • 在古典力學中，一個處於位能較低的電子，不可能穿越能量障礙到達另一邊，除非給予的能量超過位能障，然而在量子力學的觀點來看，電子卻有可能越過能障到達另一邊，主要原因是電子同時具有粒子和波的行為如圖一。 圖二.樣品與探針之間存在一個位能障Vo示意圖

  5. 原理 穿隧電流 樣品與探針之間的偏壓 探針與樣品的成分 探針與試片之間的距離 圖三.穿隧電流與距離的關係示意圖

  6. STM的取像方式 (一)定電流取像法（constant current mode） • 原理: 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）； 因此以探針的高度變化來作為樣品表 面的呈像方式，便能反映出樣品表面 的形貌。 • 優點: 可容忍待掃描樣品較大的表面高低變 化。 • 缺點: 由於必須以回饋信號作為調制，因此 掃描速度較慢，容易受到低頻雜訊干 擾。 圖四.改變探針的高度使穿隧電流固定

  7. STM的取像方式 (二)定高度取像法（constant height mode） • 原理: 直接以穿隧電流值的變化來作為表 面形態的呈像。 • 優點: 可做快速掃描以補捉一些表面動態。 • 缺點: 若掃描範圍內的樣品表面起伏太大， 則極容易損壞探針。 圖五.固定探針的高度，記錄穿隧電流的變化

  8. STM的取像方式 (三)電流密度取像法（current imaging tunneling spectroscopy） • 原理: 結合定電流取像法與定高度取像 法，並且其中引進偏壓調變作為 取像之變數。 • 缺點: 因為回饋系統必須不斷地開關， 因此較為費時，記憶體容量的需 求量很大，但以現代的電腦容量， 已不成問題。 圖六.功函數的不同反映出試片中不同的材質結構

  9. STM的掃描與分析 　　從 1 μm左右的範圍開始掃描，縮小範圍到 200 nm 的掃圖再可分析得到表面的金顆粒直徑約 20 nm，高度約1 nm 的結構精細掃圖過程。在掃描進行中，單一曲線的輪廓 與表面的二維形貌都會即時的隨掃描進度顯示。根據這些即 時回饋，也可以立即修正參數，掃描結果會立即改變。

  10. STM在液態中掃描 　　以下為對去離子水底下的樣品所進行的掃描結果。溼樣 品需要使用液態樣品用器皿與絕緣探針。液態底下的三維掃 描功能，對電化學與溼化學的研究、像是腐蝕控制、有機分 子或是其他表面材料等，都很有幫助。

  11. STM的奈米刻印 　　以下範例為在原子級平整的石墨表面進行奈米刻印， 以 5 V 的電壓蝕刻出兩個溝槽，以原探針於原位重新 掃描所得之結果。進行輪廓分析，量得溝槽深度為 9 ~ 12 奈米深，寬度約為 125 奈米寬。

  12. 結論 • STM的發明給予科學界前所未有的能力，使得探測及操縱材料表面的原子、分子，不再只是夢想。此技術自1980 年代初期發明至今，短短20 年間，已蓬勃發展，使用範圍涵蓋物理、化學、生物及材料等科學領域，並衍生出各式各樣的顯微技術及應用。 • 可掃描液態中的樣品，舉凡奈米結構的特徵、導電表面的奈米形態、電性量測與分子電荷之轉移、腐蝕控制、氧化還原化學反應、有機分子與溶膠凝膠化學、自組裝之表面區域構成、基板缺陷等量測、以及奈米蝕刻等操控技術量測與研究。 • 由於STM使用穿隧電流作回饋機制，所以樣品必須為導體或半導體。

  13. 參考資料 • 掃描探針顯微鏡http://brighter.myweb.hinet.net/chap3/chap3-6.htm • 掃描穿隧顯微術基本原理與架構 • http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/research-04-2.htm • 掃描穿隧式顯微鏡原理 • http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=22563 • 奈維科研型ＳＴＭ • http://nanovietech.com/zh/products/

  14. Thanks for your attention !

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