掃描穿隧式顯微鏡實驗

Experiments with Scanning Tunneling Microscope

實驗目的

掃描穿隧電流顯微鏡之成像原理乃利用量子物理之穿隧效應，而穿隧效應產生之尺度為

十奈米以下的距離。本實驗藉由操作顯微鏡，讓學生手動控制探針與樣品接近到奈米距

離，觀察穿隧電流，再利用固定穿隧電流來固定探針與樣品高度，經由壓電材料與外加

電壓，控制探針在樣品表面來回掃描，並取得奈米級的表面圖像。所使用的樣品包括 700

奈米週期的溝槽、幾十奈米直徑的金顆粒與幾奈米高度的石墨台階，學生可先用光學顯

微鏡觀察樣品，來感受奈米級顯微鏡的高解析度。

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，利用金屬探針，其尖端用球體近似下之曲率直徑約 10-100 nm，距離平整表面

約 1 nm 下，經由外加偏壓產生穿隧電流效應，藉由保持金屬探針與樣品表面間的穿隧

電流，而發展出「掃描穿隧電流顯微鏡」(scanning tunneling microscope, STM)。此技

術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，在於利用穿隧電流所提供之回饋訊號，維持

探針在表面上約 1 nm 的距離，再由控制掃描器水平(XY 軸)方向之位移，並取得掃描器

垂直(Z 軸)方向之距離。探針沿樣品表面高低起伏前進時，探針與樣品間距離保持固定。

掃描過程所紀錄之掃描器水平方向與垂直方向三個位移數值，來描繪樣品表面形貌。(參

照圖一)

圖一.探針與樣品表面示意圖

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穿隧效應原理

在古典力學中，當一運動之粒子能量 E低於位能障 U時，粒子穿越此位能障的機率為

零，沒有任何越過能障之機會。1923 年德布羅依(de Broglie) 提出物質波(matter waver)

假說，假設一個以能量 E，動量 p運動之微觀粒子，在運動過程中，展現出以波長 λ、

頻率 v之波動特性，稱為物質波。此粒子之波動與動量及能量間的關係式為：

λhp =

mpE2

2

=

其中 h為浦朗克常數(Planck's constant, )，m為微小粒子之質量。 SJh ⋅×= −341063.6

薛丁格(Schrödinger)於 1925 年運用德布羅依之物質波假設，提出薛丁格波動方程式，

用以描述粒子之波動行為，薛丁格波動方程式為：

),(),(),(),(2

22

tzt

itrtrUtrm r

Ψ∂∂

=Ψ+Ψ∇− hh

.

考慮一維情形，在位能不隨時間變化下，簡化成一維不隨時間變化之波動方程式為：

)()()()(2 2

22

zEzzUzzm

ϕϕϕ =+∂∂

−h

其中 )(zϕ 為粒子之波函數(wave function)， 為位能。 )(zU

假設一金屬探針(tip)與一導電樣品，接近至約幾奈米(nm)的距離，相對位置如圖二所

示。假設探針與樣品之功函數皆為Φ，且 Φ

圖三. 電子穿隧效應之位能圖

將圖三中之電子位能分為金屬樣品、能障(barrier)與金屬探針三個區域，分別帶入一維

不隨時間變化之薛丁格波動方程式，可分別求出電子在三個區域之波函數分別為：

ikzikzsample BeAez

−+=)(ϕ，

KzKzbarrier DeCez

−+=)(ϕ，

ikztip Fez =)(ϕ ，

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計算得到電子穿隧機率為：

ZKZK eeUE

UE

AAFF Δ−Δ−

∗

∗

∝−≅=Τ 22)1(16

其中入射波波向量為h

mEk 2= ，透射波波向量為h

)(2 EUmK −= ， ZΔ 為能障寬度，

A、B、C、D、F 與電子波在樣品、能障與探針三區域之入射反射波振福。

由上式可知，即使樣品區電子與探針區電子之能量差 E (E = eV)小於位能障 U，電子仍

有由樣品區穿過能障到達探針區之機率，此即電子穿隧效應(tunneling effect)，而穿隧

效應所產生之電流稱為穿隧電流(tunneling current)。當電子之總能量固定(所加的偏壓

固定)時，則穿隧電流大小隨能障厚度(ΔZ)之增加而迅速下降：

ZKeI Δ−∝ 2 .

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壓電效應

下圖為圓板型陶瓷壓電片，中間為陶瓷壓電材料，上下兩面為金屬薄膜電極。對此陶瓷

壓電片之上下兩電極施加電壓，使得壓電材料之面積變化而產生形變，圖說如下：

左圖為圓板型陶瓷壓電片之側面圖，在外加正電場(上面電極相對

於下面電極有正電壓)下，使得此壓電片向上突起。

在未加電場，即上下面電極間電壓相同時，此壓電片不產生形變。

如外加一反向電場，即上面電極相對於下面電極有副電壓，將使此

壓電片向下凹陷。

利用此壓電材料，經由控制外加電壓的大小，使壓電材料在垂直方向(Z 軸方向)產生奈

米級尺度之相對位移。為達到水平方向(X 與 Y 軸方向)之位移，須進一步分割壓電材料

為(＋X、－X、＋Y、－Y)之位移，達到三維空間之掃描能力。

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STM 掃描原理

當尖端曲率直徑約 10-100 nm之尖銳探針，靠近平滑的樣品表面至約 1 nm左右，探針

與樣品之間有外加偏壓而產生穿隧電流，其電流值約為幾奈安培(nA)。此穿隧電流小於

探針與樣品之間做點接觸所產生的電流*1，更小於微米等級穿隧結(tunneling junction)

的工作電流。利用此一金屬間穿隧效應，藉由穿隧電流值之回饋控制，可以讓探針在沿

著樣品表面移動時，與樣品表面保持固定的距離。掃描過程中垂直方向(Z軸方向)的伸

縮量，即為樣品表面形貌之高度。沿著樣品表面水平方向(X與Y方向)移動掃描器，即可

描繪出奈米等級之樣品表面形貌。

由圖四可知，探針與樣品間距離的微小改變，會造成穿隧電流很大的變化。實際上，距

離變化 1 埃(0.1 nm)，穿隧電流之變化可達 10 倍。

圖四. 探針樣品距離與穿隧電流關係圖

*1 估計電阻約 13 kΩ，若給予 0.1 V 之偏壓為，點接觸所產生之電流即約 8μA

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Nanovie STM Educa 機械主體

g

i

fk

j h

n

m

e

d

c

b

a

圖五

a…避震框架(上下板及支柱)

b…避震彈簧

c…粗調螺旋步進器

d…微調螺旋步進器

e…掃描主體(上下板)

f…掃描元件

g…裝卸用固定螺絲(及上下孔)

h…樣品座

i…探針座

j…網路線插座

k…SMA 插座(圖示背面)

m…攝影機

n…攝影機 USB 線接頭

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Nanovie STM Educa 電子控制盒

a. I-Gain b. P-Gain c. SMA線插座 d. 電源線插座 e. 電源開關 f. 介面控制USB線插座 g. 網路線插座 h. 變壓器

圖六

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Nanovie STM Control 控制介面程式

圖七

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實驗步驟

注意事項:

1. 當取出或放入樣品座、探針座、掃描頭前，需先順時鐘旋轉精密螺絲退針，直至樣品與探針間有足夠空間。再將掃描基台以固定用螺絲固定於避震框架

上，才能拿起或是放回掃描基台上板。

2. 置放或移出探針座、樣品座、掃描頭時，要避免因強力磁力造成部品碰撞，需以水平方式接觸後再平移推入。注意勿垂直放入，也不可在過程中鬆開。

3. 進針前先確認電子控制盒之 I-Gain, P-Gain 為最大值，逆時鐘旋轉到底。 4. 微調進針前，需取下攝影機之 USB 線，並鬆開固定螺絲讓掃描基台處於懸吊

狀態。

(1) 機械主體準備與設置

1. 移開透明遮風罩 2. 確認掃描基台由避震彈簧確實懸吊 3. 確認粗調與微調螺旋步進器處於退針狀態、並保持水平 4. 確認探針與探針座是否置於適當位置 5. 確認樣品是否正確置於載台之上 6. 確認掃描元件是否有加裝長形掃描頭 7. 以「影像傳輸USB線」將攝影機連接至電腦。

(2) 電子控制盒準備與設置 1. 以「網路線」連接電子控制盒與機械主體 2. 以「SMA線」連接電子控制盒與機械主體 3. 以「介面控制USB線」連接電子控制盒與電腦 4. 使用STM Educa 專用之變壓器，將電子控制盒接上電源 5. 確認 I-Gain, P-Gain 旋轉至最大值

(3) 進針練習 先使用多次使用或狀況不佳之探針，以及百奈米級溝槽等易掃圖之樣品，進行以下

(4)～(10)之各種操作步驟；或於準備好之機台，直接進行(7)~(10)之進針練習，直

至可以正確掃描到大致的影像而不會傷害到探針或樣品為止。合格之學員再發予新

的或優良之探針進行正式實驗。

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(4) 取出或置放探針座 1. 欲取出探針座前，請先順時鐘旋轉粗調螺絲至樣品與探針有足夠安全距離為止。 2. 使用固定螺絲將掃描基台下板與避震框架上板固定，避免晃動影響操作，再翻

開掃描基台之上板。

3. 取出探針座，請利用鑷子夾住探針座，以平移施力方式，將磁力吸附式探針座從掃描主體上板之探針座載台上小心取下。

4. 置放探針座，請利用鑷子夾住探針座，接近水平但稍微傾斜之方式，以探針座底部內緣，靠近掃描主體上板之探針座磁性甲板外緣，輕輕接觸後再平移推入

適當位置，注意勿垂直放入，也不可在過程中鬆開。磁鐵強力吸附所產生之碰

撞，長久可能影響精密程度，甚至造成部品損壞。

5. 將上板對準精密螺絲位置放置回原處。

(5) 更換探針 1. 更換探針前需先將探針座自掃描基台上取下。請參考步驟(4)。 2. 鬆開探針座雙邊固定螺絲，利用鑷子將舊探針取出。 3. 鬆開探針保存盒之固定螺絲，利用鑷子將探針從針盒中取出。 4. 需要時，將探針置於光學顯微鏡下觀察，確定針尖狀況是否良好。 5. 利用鑷子將新探針放入探針孔中，並將探針座雙邊固螺絲鎖上，至探針固定不

晃動為止。

6. 請依步驟(4)將探針座放置回探針座台，避免針尖損壞，或探針座遺失。

(6) 置放或取出樣品 1. 欲取出樣品前，請先順時鐘旋轉粗調螺絲至樣品與探針有足夠安全距離為止。 2. 使用固定螺絲將掃描基台下板與避震框架上板固定，避免晃動影響操作，再翻

開掃描基台之上板。

3. 請利用鑷子，將樣品從樣品盒中取出。請勿讓手指或異物碰觸樣品表面。 4. 取出樣品，請利用鑷子夾住樣品座，以平移施力方式，將磁力吸附樣品針座從

掃描頭圓盤上之樣品座台上小心取出。請避免以斜向或垂直方向往上拔取，此

舉容易造成碰撞，導致探針或樣品損壞。

5. 置放樣品，請利用鑷子夾住樣品底座，接近水平但稍微傾斜之方式，以樣品座底部內緣，靠近掃描頭圓盤外緣，輕輕接觸後再平移推入適當位置，注意勿垂

直放入，也不可在過程中鬆開。磁鐵強力吸附所產生之碰撞，長久可能影響精

密程度，甚至造成部品損壞。

6. 將上板對準精密螺絲位置放置回原處。

(7) 進針前準備與確認 掃描主體上板呈水平狀態。 將電子控制盒之 I-Gain 與 P-Gain 旋鈕逆時鐘向方調至最大，減少微調進針時

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探針撞針的機會。

開啟攝影機影像擷取程式，確認能有效辨識粗調進針狀況。必要時須調整攝影鏡頭之焦距，調整至針尖的影像清晰。

開啟STM Control掃圖控制介面程式，確認掃描頭伸縮狀態欄全黑正常。

(8) 粗調進針 1. 粗調螺旋步進器由兩只高精密螺絲構成，需用兩手同時以同方向同幅度旋轉控

制。逆時鐘方向為進針。

2. 粗調進針時，眼睛注視攝影機影像擷取之畫面中，針尖與樣品表面所反射之針尖倒影的距離，至此距離小於約0.5 mm 以下，即停止粗調。

3. 完成粗調後，請務必將影像傳輸USB線拔離掃描基台，再進行微調。

(9) 微調進針 1. 微調前請將影像傳輸USB線拔離掃描基台，再鬆開裝卸用固定螺絲，小心的讓掃

描基台恢復懸吊狀況。

2. 微調螺旋步進器由一只高精密螺絲構成，以單手儘可能緩慢而穩定的旋轉控制，另一手扶住掃描基台。逆時鐘方向為進針。

3. 微調進針時，眼睛注視著STM Control控制介面程式中之掃描頭伸縮桿，當掃描頭一有回縮訊號時，請先即刻暫停微調進針。再緩慢的調整至掃描頭伸縮量約

達50%。

4. 將 I-Gain 調小，降低掃描頭反應速率，至掃描頭伸縮狀態欄不再快速跳動、趨於穩定為止。

5. 將 P-Gain 調小，降低掃描頭反應幅度，至掃描頭伸縮狀態欄不再有大幅跳動、趨於穩定為止。

6. 反覆微調進針與I-Gain, P-Gain，直至掃描頭伸縮桿穩定位於中央50%處。

(10) 預掃 選取低影像大小（100 × 100 ~ 200 × 200 pts），低駐留時間（ 2 ~5 ms），按

下scan鍵進行預掃，以快速取得部份影像，判斷掃得圖形品質之優劣，決定是否需

再微調I-Gain, P-Gain，並判斷針尖狀況是否合格。

(11) 開始掃圖 設定Set Current、Bias、Dwelling Time、Scan Area、Scan Position、Image Size，確認所選取之掃描模式（大範圍或高解析度）正確無誤，即可按下「Scan」鈕

開始掃圖。按下「Save」儲存取得之拓撲數據。

建議選取 Auto Contrast 自動調整影像對比，可即時顯示清晰可辨之影像。 若需要中途存檔，需在掃圖開始前，即選擇連續掃描模式(Continuous)。

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(12) 即時修正參數 掃描過程中可即時改變Set Current、Bias、Dwelling Time，並調整I-Gain、P-Gain

來改善掃描品質。

(13) 即時修針 在判斷掃圖品質不好的原因為針尖狀況不佳時，可在掃描進行中按下 Pulse 鍵給

於一瞬間大電壓，透過針尖與樣品間之作用力改變針尖狀況，有機會改善針尖狀

況，而掃得較好的圖。

(14) 進階掃描 當百奈米級溝槽之掃圖過程與結果合格時，可進一步掃描十奈米級金島嶼、臺階、

蝕刻等，以至於奈米級之臺階。

(15) 收納 掃描完畢，需將粗調和微調螺絲以順時鐘方向旋轉，進行退針動作。注意粗調退針量要與微調退針量需相等，以確保掃描主體上板維持水平。

退針動作完畢後，請將I Gain與P Gain調回至最大值。

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標準樣品 STM 掃描結果參考

奈米級表面刻痕: 1500nm × 1500nm 月彎形金表面台階: 600nm × 600nm

石墨台階: 450nm × 450nm 金薄膜島嶼狀地貌: 1600nm × 1600nm

百奈米級溝槽與表面金聚集顆粒: 1400nm × 1400nm

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問題與討論

Q1. 試以一百字以內敘述 STM 的基本運作原理。

Q2. 什麼是壓電效應？

Q3. 修針的原理？

Q4. 掃描前把掃描主體上下板調整至水平狀態的好處為何？

Q5. 使用同一台儀器去掃同一樣品，每次掃描得到的圖形均存在些微差異，可能的

原因有哪些？

Q6. 光學顯微鏡可否觀察到本實驗所使用的樣品？為什麼？

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