《《《《近代物理實驗近代物理實驗近代物理實驗近代物理實驗》》》》

SSSSSSSSSSSScanningcanningcanningcanning

TTTTunnelingunnelingunnelingunneling

MMMMicroscopyicroscopyicroscopyicroscopy

指導老師指導老師指導老師指導老師：：：：林敏聰林敏聰林敏聰林敏聰

助教助教助教助教：：：：徐斌睿徐斌睿徐斌睿徐斌睿

物理三物理三物理三物理三 B92202009 蔣季庭蔣季庭蔣季庭蔣季庭

物理三物理三物理三物理三 B92202050 陳哲聿陳哲聿陳哲聿陳哲聿

物理三物理三物理三物理三 B92202054 張芷維張芷維張芷維張芷維

電機三電機三電機三電機三 B92901121 羅弘益羅弘益羅弘益羅弘益

1

目目目目 錄錄錄錄

Ⅰ. 歷史發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 2

Ⅱ. 實驗原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 5

Ⅲ. 尖端應用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 8

Ⅳ. 實驗－－探針製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 12

STM 掃瞄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 23

Ⅴ. 實驗改良‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 40

Ⅵ. 心得‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 42

Ⅶ. 參考資料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 45

Ⅷ. 附錄－－HOPG‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 46

STM 掃瞄結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧p. 48

2

ⅠⅠⅠⅠ. . . . 歷史發展歷史發展歷史發展歷史發展

（以下整理首篇關於 STM 之論文[1]

：）

STM是由 Gerd Binnig及 Heinrich Rohrer共同設計實驗出的結果。起初是因兩人

討論到 Rohrer對於”inhomogeneities on surfaces（表面不均勻能量態）”的想法，特別

是針對金屬表面上的薄氧化層樣品；由於這個研究牽涉到如何小範圍地觀察這些薄

膜，兩人了解到這方面儀器的缺乏。另一方面，兩人也想知道若依特別的排列方式進

行穿隧接觸(arranging tunneling contacts in a specific manner)，是否可以得到更多與這

個題目相關的資訊。因此 Binnig想起了自己之前的想法，也就是 vacuum tunneling（真

空穿隧）。

當時距離 Giaever發表 tunneling spectroscopy技術已有 20年之久，但一直到兩人

開始進行研究後不久，才由另一位 IBM Research Division’s Technical Review Board的

成員Seymour Keller將他們的注意力引向W. A. Thompson及Hanrahan在 1976年利用

positionable tip（可定位探針）所做的真空穿隧嘗試。Binning和 Rohrer驚喜地發現許

多新的可能性，他們將不只獲得一個區域性的能譜探測，這種掃瞄方式將可以同時得

到能量分布和表面形貌的影像，換言之，這將是一種新的顯微鏡。

這種操作方式與 Williamson在 1967年及 Guenther在 1984年所提出的 stylus

profilometry（利用唱針式針尖探測表面輪廓的方法）很相似，但是 Binning和 Rohrer

並不是利用針尖和表面實際的接觸，而是使針尖和樣品間保持數埃的微小距離，且這

個距離由兩者間的穿隧電流大小來決定。兩年後，Binnig和 Rohrer看到一篇 R. Young

描述場發射顯微鏡（field-emission microscope, 研究人員稱之為”topografiner”）的文

章，這種顯微鏡和 STM在操作上的原則相似，但是它的針尖和樣品表面間的距離較

遠，因為它利用的是場發射電流，而非穿隧電流。在這篇文章中，建議利用更尖的針

尖來提升顯微鏡的解析度，並述及它在分譜學上令人期待的一些方面。因此在結合了

真空穿隧的想法後，”Scanning Tunneling Microscopy”的想法逐漸成形。

3

開始進行 STM研究工作的頭幾個月，Binnig和 Rohrer集中注意力於解決一些問

題：

• 如何避免會造成針尖和樣品間相對位移的機械振動？

>>用真空避免針尖的機械固定裝置受外在聲音和震動造成的雜訊震動

• 針尖和樣品間的力有多大？

>>在大部分情況中不構成問題

• 如何在那麼微小的尺度下移動針尖？

>>利用壓電材料

• 如何避免樣品和（特別是）針尖上的強烈熱擾動？

>>選擇彈性係數小的材質製作平均截面積相對小的針（下圖為反例）

針的側面若是很寬而平的圓錐面

稱為 whiskers（腮鬍）

這些引出一個更具一般性而且也是最重要的問題：針尖的形狀應該是如何？如何

達到？長而窄的針頭或是 whiskers容易受振盪或熱擾動的影響；蝕刻的針頭會出現許

多尖端，但只有其中一個會產生穿隧電流；而雖然樣品和針尖間的靜電力及原子內的

力不會對較鈍的針頭或較堅硬的樣品構成影響，但是若針尖帶有 whisker則會使穿隧

間隙不穩定，尤其對於較軟的樣品如石墨或一些有機物質，這些力的影響就必須考慮

進去。

在第一次成功得到穩定的 STM影像後，Binnig和 Rohrer將注意力集中在原子尺

度的解析上。達成這個目標的一個希望是因為真空穿隧本身提供了一種製作非常尖銳

的針頭的方法；但由於這必須配合 field-ion microscopy進行，而 Binning和 Rohrer對

於這種技術都很陌生，因此他們並沒有使用。他們只是不斷地嘗試各種方法以使針尖

更銳利，有時候會成功，有時候失敗。但是首先他們必須驗證真空穿隧效應。

起初，由於兩人將目標鎖定在 spectroscopy方面，因此將系統設計成在低溫且高

度真空(UHV)的環境下工作，一方面低溫環境亦可減低熱漂移和 thermal length

fluctuations的影響。在 STM的概念誕生的 27個月後，Binnig和 Rohrer得到了清楚

的穿隧電流和針尖-樣品距離的對數關係。在達成這個建立 STM 系統的重要一步後，

兩人只花了三個月的時間（其中部分時間是花在等待為壓電材料準備的高壓電源供應

器）便得到了第一張（由 R. Gambino製備的 CrIrSn4單晶之）monosteps的影像。在

這個過程中，最大的問題便是如何克服在將針尖靠近樣品時，會不斷產生的 whiskers。

接下來便是朝向表面科學應用來發展，他

們建立了一組可與 UHV 並立的 STM 系統，

也不再需要使用超導磁浮效果來支撐，為了防

止 STM 系統的晃動，他們使用一套具有渦電

流 damping的 double-stage spring system。

4

表面科學中最使人困 惑且最 具 挑 戰性的問題便是 Si(111)表面的 7x7

reconstruction(見下圖)，因此 Binnig和 Rohrer開始研究這種 7x7結構。開始時 STM

運作得很順利，甚至可以清楚地解析到 5埃大小，但是樣品的製備卻不太順利。雖然

偶爾可以觀察到很棒的單層電子平台

輪廓，但通常在原子尺度下，表面都

是粗糙且無秩序的。到了 1982年秋天

（期間曾以 Au 為樣品進行了很多

surface reconstruction及 spectroscopy

的成功研究），兩人採 納了 Franz

Himpsel 的建議 ”not to sputter the

surface（不對表面進行蒸鍍）”，結果

立即見效，從 STM觀察到非常漂亮的

7x7圖形，只要樣品表面是平滑的。

在 1983年底兩人甚至開始與 H. Gross一起研究 STM 應用在生物上的可能性，並

證實可以利用STM來追蹤位於沉積在被銀所覆蓋之Si方塊上的碳薄膜上的DNA 鏈。

在這項成果發表後，越來越多人肯定 STM的研究。但是慢慢地卻出現流言，有

些科學家懷疑 Binnig和 Rohrer的成就只是電腦模擬的結果。這主要是因為當時距離

STM 系統及理論的完成已經有三年了，但是原子尺度的解析力卻仍然只有 Binnig和

Rohrer做得到。但到 1984年後半，情況出現戲劇性的轉變，許多科學家開始發表他

們利用 STM 達到的原子尺度解析的成果。到了這個時候，STM才真正為科學界所接

受。

雖然個別原子已經可以由之前的 field-ion microscopy觀察到，電子顯為術亦對原

子尺度的觀察有所進展，但是 STM的優點不僅在於它可以觀察到樣品表面上一個一

個的原子，還有它廣泛的運用性、在觀念上及儀器上的簡單性，以及實用性。現在

STM已經被應用在很多方面，製備針頭的技術也已經大幅提升至可以在 UHV 環境下

製作出精確的角錐狀針頭，而針尖只有一或數顆原子。這樣的探針在對於非週期性結

構、無序系統或是粗糙表面的檢測上非常重要。科學家們也對其他領域的應用感興

趣，例如 low-energy electron或是 ion point source等等。

Binnig和 Rohrer表示原本 STM的設計，是為

了呈現在某一選定區域中、且在空間尺度到達原子

維度的小範圍實驗結果。除了影像，它也開展了進

行實驗的新的可能性，不論是在非破壞性研究或是

局部性的修正方面，如 local high electric field、

extreme current densities、 local deformations、

measurements of small forces down to those between

individual atoms或是 modify individual molecules等。

5

ⅡⅡⅡⅡ. . . . 實驗原理實驗原理實驗原理實驗原理

一一一一、、、、 穿隧電流穿隧電流穿隧電流穿隧電流效應效應效應效應推導推導推導推導：：：：

[2]右圖中有一能障 V0，寬 d。假設有一個

與時間無關的波（independent of time）存在

A、B、C 三區，能量為 E， 0VE < 。其中它

在 A區的波函數為 ikxikxI BeAex −+=)(ψ ，在 B

區的波函數為 xxII DeCex κκψ += −)( ，在 C區

的波函數為 ikxikxIII GeFex −+=)(ψ 。其中在exp

函數裡面，正號代表向右的波，負號代表向

左的波。由於在 C區時，波的行進並沒有受

到阻礙，因此可以令 0=G 。

雖然分成三區，但是這仍然是一個波，因此三區分開的波函數必須在交界點是連

續的，換句話說 )0()0( III ψψ = ， )()( dd IIIII ψψ = ；同樣的原因，三區波函數的一階微

分也必須連續，也就是說 )0(')0(' III ψψ = ， )(')(' dd IIIII ψψ = 。由以上的條件我們可以

得知，

ikdikddd GeFeDeCe

DCBA−− +=+

+=+κκ

， ikdikddd ikGeikFeDeCe

DCikBikA−− −=+−

+−=−κκ κκ

κκ 。

其中h

mEk

2= ，

h

)(2 0 EVm −=κ 。

在這個問題中我們要探討的是雖然原本波函數具有的能量 0VE < ，但是我們是否

能夠在 C區中發現這個波？我們可以定義一個物理量代表波由 A穿透到 B的強度的

比值（Transmission Coefficient），2

2

A

FT = 。經由上述條件的計算，我們可以得到

deV

E

V

E

V

E

V

E

dT κκ 2

00

1

00

2

116

14

sinh1 −

−

−≈

−

+= 。

6

二二二二、、、、 STMSTMSTMSTM 與穿隧電流與穿隧電流與穿隧電流與穿隧電流：：：：

STM是Scanning Tunneling Microscopy，亦即掃

瞄穿隧顯微術的縮寫，它利用量子力學中的穿隧效

應，能提供物體表面原子結構的影像，使組成微觀

世界中的原子或分子個別地呈現出來，如右圖[3]。

當金屬探針前端的原子非常接近導電的固體表面

時，兩端的電子可以藉由穿隧效應在此狹小的間隙

z傳遞。而傳遞的方向由探針與表面的電位差決

定，由電壓較高的一端提供電子形成電流；若探針

尖端電壓高於樣品稱為正偏壓，反之則稱為負偏

壓。

依量子力學模型計算，可知因穿隧效應形成的電流大小正比於exp(−kz)(這是穿隧

效應的結果，k 為材料參數)； 對一般金屬而言（功函數約4-5eV），1埃的間距差可

導致穿隧電流10倍的增減。。因此z 的微小變化，會對穿隧電流量值造成很大的改變；

所以像樣品表面原子堆疊或排列的高度差，就會形成可測量的穿隧電流差，並反映出

樣品表面的樣貌。由於穿隧電流主要發生在針尖上最突出的一顆原子上，STM可具有

原子級的橫向解析力；但也受限於針尖的大小，一般約為1～2埃。

STM和同樣具有原子解析能力的顯微技術SEM（掃瞄電子顯微鏡）相較之下，主

要有以下的優點：

1. STM具有將近 0.01nm的解析度，SEM則不太能分辨 10nm以下的高度差。

2. STM掃瞄樣品不需加以處理，觀察方式上沒有限制。但對 SEM來說，非金屬樣

品需事先處理（如乾燥、鍍上導電薄膜），而像生物分子這一類的樣品經過這些程

序處理後，往往會改變其原始狀態。

3. STM的掃瞄方式對樣品而言不具破壞性，也可以在真空、空氣、水溶液等各種環

境下操作，限制很少。而 SEM的高能量電子束對某些樣品（尤其是脆弱的生物分

子）具有破壞性。

4. STM造價低於 SEM，體積小、設計彈性高，易與其它系統整合。

但STM亦有使用上的限制，例如對於不導電樣品或表面高度落差過大的材料不適

用等等。而且掃描速度仍比不上SEM，產品成熟度及穩定性也還不夠；不過這些主要

是由於STM技術發展時間尚短，因此商業化產品近數年才出現。

7

STM的取像方式分為三種[4]：

定 電 流 取定 電 流 取定 電 流 取定 電 流 取 像 法像 法像 法像 法 （（（（ constant current mode））））

使用固定的穿隧電流（～1nA）為回饋訊號，

因此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）；所以若以探針的

高度變化來呈像，就能反映出樣品表面的形貌。

(見右圖上)

優點優點優點優點──可容忍較大的表面高低變化，較不容

易出現”撞針”的情形。

缺點缺點缺點缺點──須以回饋信號來調制，掃描速度較

慢，也較容易受低頻雜訊的干擾。

定 高 度 取 像 法定 高 度 取 像 法定 高 度 取 像 法定 高 度 取 像 法 （（（（ constant height mode））））

固定探針，直接以穿隧電流值來呈像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由

於表面的高低變化使得探針和樣品表面的間距時大時小，所以穿隧電流值也隨之改

變，亦能反映樣品的表面狀態。(見右圖下)

優點優點優點優點──可做快速掃描以捕捉一些表面動態。

缺點缺點缺點缺點──掃描範圍內的樣品表面起伏不能太大，否則極容易損壞探針。

電 流 密 度 取 像 法電 流 密 度 取 像 法電 流 密 度 取 像 法電 流 密 度 取 像 法 （（（（ current imaging tunneling spectroscopy, CITS））））

由於穿隧電流的大小除了和探針及樣品的間距有關，也和探針所在位置的表面電

子密度有關。也就是說 STM掃瞄取得的影像，除了反應樣品表面的幾何形貌，樣品

表面的局部電子特性亦包含在內。所以如果想要探討物質表面電子的空間分布，就必

須先排除電流信號中的幾何因子，再從電流信號中做能量解析，才能得到某一能級的

表面電子的空間密度分布 (local density of state, LDOS)。這是因為穿隧電流之微分電

導(dI/dV)在重整化後(除以 I/V)，大小與針尖和樣品的距離無關，卻能直接反映出針尖

下樣品的電子能態密度（註：I為穿隧電流，V為偏壓）。因此，利用在固定偏壓下的

(dI/dV)/I 訊號對空間分佈取像，就可以獲得表面電子能態密度(在所選的能量位置處)

之影像。目前在電子密度呈像上最常用的方法便是結合上述兩種方法，並在其中引進

偏壓調變為取像變數。先以定電流模式為架構使探針在回饋系統的控制下，並在掃描

過程中保持一定的探針/樣品間距。接下來在掃瞄每一點時瞬間切斷回饋作用，並利

用這段期間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。一

般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合起來，即構成一

幅二維電流密度分布圖。

缺點缺點缺點缺點──回饋系統必須不斷地開關，比較費時（約需幾分鐘）；掃瞄一次等於儲

存了上百個影像的資訊，記憶容量需求很大。

8

ⅢⅢⅢⅢ. . . . 尖端應用尖端應用尖端應用尖端應用

STM從 1982年發明至今已有二十多年，在這段日子裡，愈來愈多領域將它視為

重要工具，以下我們舉三個最近比較熱門的研究領域，這三個領域都需要 STM。

一一一一、、、、 分子生物學分子生物學分子生物學分子生物學

在分子生物學這個領域中，DNA與蛋白質的研究仍有許多地方是個謎，這些往

往需要更進一步地了解蛋白質與 DNA的立體結構。雖然我們可以用一套方法，很精

準地測出每一個核苷酸或是每一個胺基酸的位置，但從二維到三維轉換的三級結構至

今還沒有一定的法則。如果真的想建立，那麼首先應該準確地量測分子與分子、原子

與分子之間的關係。四種 DNA分子如下圖所示。

cytosine guanine adenine thymine

從此圖我們可以發現 DNA分子不導電，那麼，我們有沒有方法量測 DNA分子到原

子級單位的準度呢？

根據記載[5]，我們可以利用 DNA分子會吸

附某些金屬的性質來達成。只要能使 DNA分子

吸附很薄的一層金屬，STM就可以操作的很順

利，間接完成研究。研究還指出，以水蒸汽環

繞在 DNA四周有助於提升 DNA導電度，使

STM的觀察結果更為顯著。Bias voltage控制在

10~15V，比一般 STM操作還大，增加導電電

流。右圖是參考資料[6]中提到的 DNA掃瞄操作

圖。經過長期試驗，把 DNA放在雲母上，附近

再以金原子吸附，潮濕環境(濕度：30~45%)助

導的效果最好，因此現今 DNA實驗室都採用圖

X的模式探測。

蛋白質分子在這方面的研究比 DNA還要精采，這是因為有

些蛋白質會與金屬結合在一起，改變表面分子的能量分布，使穿

隧電流較大。今舉 azurin (一種含銅離子的藍色蛋白質，與呼吸

作用電子傳遞鏈有關)為例（右圖[7]），它的銅離子被 STM探針

掃到時會產生較大的電流，然而當以鋅離子取代銅離子時，電流

9

會比較小，這是因為能量比較低；銅離子還原成銅時電流-電壓曲線也會改變。因金

屬蛋白質的金屬離子常常進行氧化還原反應，如果能準確控制離子何時起反應，我們

就能做出分子開關！蛋白質的雙硫鍵可以與某些金屬緊密結合，如果蛋白質中不含雙

硫鍵(或是不多)，我們可以利用基因工程，做出經過轉錄轉譯後有雙硫鍵的 DNA。有

了可以與金屬穩定結合的蛋白質，分子開關是可以大量生產的。下圖左是一個測量

azurin的實驗裝置圖，而下圖右是用 STM掃瞄 azurin的結果。

二二二二、、、、 有機光電有機光電有機光電有機光電

以有機化合物為主的光電元件件已有幾十年的歷史，由於有機顯示元件具有可彎

曲性，使得衣服上可以看電視的夢想有希望實現。由於原料種類繁雜，科學家對於這

方面的研究始終沒有停下來過。在市場的需求下，製造業需要一套精密的有機光電元

件製程，不但能生產出小元件，更要確保它們是良好的。STM可以在這一方面擔任

精密監控，下圖[8]是一個有機光電元件生產模組，從這套模組可以看見 STM的重要

性。除了生產方面，因為元件中各層與各層的交互作用尚未完全明瞭，光電研究人員

仍需要用 STM一層一層地揭開這些神奇的面紗。Hanel在其論文[9]中即強調了 STM

對他們研究的重要性。

10

下圖為 C20H12的量測。(a)是掃瞄結果；(b)是掃瞄裝置。

三三三三、、、、 半導體製程半導體製程半導體製程半導體製程

IC產業的根本是半導體技術，製程的好壞深深地影響中下游客戶。隨著消費者的

需求，IC產業走向小而精，生產速度還要快。雖然至今仍未到答原子等級的極限，但

500nm以下的元件已經令人夠頭疼了。關於如何縮小元件尺度這個問題，是個每家公

司都不願透露的秘密。往往都是要過了七八年以後產品下架時才會看到。儘管如此，

很多大學的半導體研究室一直試著找出解決之道。以東京大學Hamanaka等人之

200nm製程研究[10]為例，說明過程為何以及STM在哪些步驟中扮演重要角色。

大致來說，當一片一片的矽晶圓被切割下來後，接著就是以掺雜或離子布置的方

式使晶圓上鋪著一層又一層的氧化層或電洞／電子層，這時候就要以蝕刻的方式畫電

路。每畫一層電路時都要先用光阻覆蓋在晶圓上才可以用化學試劑。這一步做完後就

要清洗晶圓，以利其它步驟。有時當某些步驟做錯時也要用蝕刻的方法把剛才鋪的東

西拿掉。因為化學試劑一倒下去的話就用侵蝕大塊區域，如果想要蝕刻出較精細的元

件是不行的。Hamanaka等人的貢獻在於利用STM探針當電極頭，把矽氫鍵打斷，以

利矽與氧的結合(圖X~圖X)。因為STM探針很細，所以可以刻出細微結構的電路。他

們在那個時候已經做到200nm，相信利用同樣的方法，可以刻出更小的結構。也許對

於當今追求45nm製程的半導體公司而言，STM仍然是他們最重要的工具之一啊。

下圖為經過蝕刻、清洗與弄乾之後的矽晶圓表面。

11

下圖分別為Wet process 和 HF (氫氟酸) 蒸氣蝕刻的過程：

12

ⅣⅣⅣⅣ....實驗實驗實驗實驗

一一一一、、、、 實驗目的實驗目的實驗目的實驗目的：：：：

利用電解蝕刻鎢針的方式，藉由各種參數的調整尋找最佳條件，製作原子級的探

針以供 STM掃描所需的超高解析度。

二二二二、、、、 實驗簡介實驗簡介實驗簡介實驗簡介：：：：

本實驗主要為一電解過程，以欲作為針的鎢絲當陽

極，氫氧化鉀為電解液，隨著鎢氧化變成鎢離子，

針尖形狀漸漸被吃出來，由於氧化反應在接近液面

處最為劇烈，當鎢絲越來越細，無法再承受液面下

半段重量負荷時，斷裂會在液面處發生，利用重力

拉出針尖的形狀，此時鎢絲到電解液的通路幾乎被

截斷，電流會很小，但還是要很快的關閉電源停止

電解動作，以免針形再被吃掉而失去針尖的形狀。

三三三三、、、、 實驗器材實驗器材實驗器材實驗器材：：：：

1. NaOH溶液（3M約 225mL）

2. 鎢絲（約 8cm）

3. 光學天平、磁攪拌子加熱攪拌器

4. 清洗用丙酮溶液、超音波震盪器

5. 電解裝置、樣品固定架

6. 電源供應器、電源截斷器

7. 光學顯微鏡

8. 鑷子、反向夾、尖嘴剪、尺、碼錶

探針製作探針製作探針製作探針製作

日期日期日期日期：：：：2/29/2006

時間時間時間時間：：：：13:30 ~ 17:50

13

四四四四、、、、 實驗步驟實驗步驟實驗步驟實驗步驟（（（（實驗流程圖實驗流程圖實驗流程圖實驗流程圖））））：：：：

五五五五、、、、 實驗架構實驗架構實驗架構實驗架構：：：：

實際裝置圖實際裝置圖實際裝置圖實際裝置圖

� 光學天平

超音波振洗器 �

鎢絲鎢絲鎢絲鎢絲

1. 以砂紙磨去鎢絲表面氧化物並拉直2. 以尖嘴剪剪約 1cm 長鎢絲 8 段3. 鎢絲置入裝有丙酮的燒杯

以超音波振洗約五分鐘

電解液電解液電解液電解液（（（（3M NaOH））））

1. 以光學天平準確量取 NaOH 27g2. 置入裝有少量自來水之燒杯後裝水至225ml3. 燒杯中置入磁攪拌子後

以加熱攪拌器加熱攪拌至均勻溶解

電解蝕針電解蝕針電解蝕針電解蝕針

1. 開電源並開始計時2. 紀錄初始電流3. 觀察電流變化和電壓設定的關係4. 觀察電解槽內變化5. 電流截斷後關閉電源

電解裝置電解裝置電解裝置電解裝置

1. 鎢絲用鑷子插入固定架2. 固定架蓋住燒杯口3. 檢查並調整固定架和鎢絲

使鎢絲垂直浸入液面一適當長度4. 設定電源電壓（< 12V）5. 設定截斷電流

6. 檢查接線（電源 � 截斷器�電解槽）7. 檢查截斷器轉回enable狀態

（每次截斷後需先轉到disable）

鎢針成品處理鎢針成品處理鎢針成品處理鎢針成品處理1. 以鑷子小心取出鎢針2. 用丙酮自針尾潤洗3. 置於光學顯微鏡下觀察成品4. 揷於保利龍板上保存

14

↑ 實驗 Layout

電解槽 ↓

電源供應器

電源截斷器

電解槽

鎢絲固定架

調整螺絲

電源線

電解液

15

架構

示意

圖架

構示

意圖

架構

示意

圖架

構示

意圖

.055 12.0

電源供應器電源供應器電源供應器電源供應器

電解槽電解槽電解槽電解槽

Enable

DisableI set

I電源截斷器電源截斷器電源截斷器電源截斷器

左邊是粗調

右邊是微調

Ｉ v

切換刻度檔位 調整

顯示現在電流

顯示設定的截斷電流

截斷功能啟動

截斷功能關閉

不鏽鋼陰極

3M NaOH

固定架

鎢絲

調整螺絲

插入使鎢絲

浸入液面

.055 12.0

電源供應器電源供應器電源供應器電源供應器

電解槽電解槽電解槽電解槽電解槽電解槽電解槽電解槽

Enable

DisableI set

I電源截斷器電源截斷器電源截斷器電源截斷器 Enable

DisableI set

I Enable

DisableI set

I電源截斷器電源截斷器電源截斷器電源截斷器

左邊是粗調

右邊是微調

Ｉ v

切換刻度檔位 調整

顯示現在電流

顯示設定的截斷電流

截斷功能啟動

截斷功能關閉

不鏽鋼陰極

3M NaOH

固定架

鎢絲

調整螺絲

插入使鎢絲

浸入液面

16

六六六六、、、、 實驗過程實驗過程實驗過程實驗過程：：：：

前置前置前置前置

1. 實驗前先看過歷屆學長姐做針的過程，對做針原理有了粗略的了解。

2. 整個做針的過程原則上就是探討各種參數調整對結果的影響，尋找最佳值，整理

過去的報告後大概歸納需要紀錄和調整的參數有：時間、電壓、浸入深度、電解

液濃度。

實驗實驗實驗實驗

1. 簽到集合畢，花了好一些時間尋找實

驗室——舊物館 315，對舊物館的地

理形勢多了一翻了解……。

2. 助教先簡介 STM原理，接著進入今

天主題＂做針＂，說明對於針的要求

[1]和不同的做針方式*。

3. 準備做針材料：3M NaOH溶液[2]及鎢絲[3]。

4. 助教開始說明和示範做針的流程後，大家才發現和學長姐的報告很不相同，顯然

這個實驗經過了很大的改良[4]，助教開始做第一根針，電解

過程中說明可變參數（截斷電流、浸入深度、電壓）、紀錄

內容（初始電流、鎢絲原長 / 末長、電解時間、針尖形狀）、

並提醒應注意的事項[5]，電解完畢取出成品[6]，以光學顯微

鏡觀察[7]*。

5. 換我們開始做針，看過助教熟練的動作之後，自己做針顯得

相對笨拙，很多小地方是做過之後才能體會[8]，一開始調整

參數並無固定的方向，逐漸熟悉之後，我們發現主要影響變

因與針形的關係[9]。

6. 電解過程頗漫長，助教引導我們觀察討論一些現象和問題*。

7. 一一紀錄每根針的結果，存檔觀察到的針形，收拾，略討論本週報告進度，撤退。

◎◎◎◎ 註註註註（（（（見實驗過程中見實驗過程中見實驗過程中見實驗過程中 [[[[下標下標下標下標] ] ] ] ）：）：）：）：

[1] 為了呈原子尺度的解析度，我們希望探針在掃描時，穿隧

效應僅發生在針尖的一兩顆原子，如此才能在每一個位置點

得到一個電流值以供 mpping，若針頭不夠細，則對於掃描的

表面而言針相當於一塊平行電板，則不但解析度變差，且所

有推導的公式皆不適用。除了針尖的要求之外，針本身的形

狀也很重要，理想上的針形如（右圖）（這是貼在實驗室的一

張海報），亦即針的部分平均的長度比圓柱寬度要小，針尖不

能過長且應位於圓柱中央，這些要求皆在使掃描過程中針本

身較容易穩定且不會收到太多不必要的雜訊。

17

[2] NaOH = 40，配置約 225ml，故 3(M)= 0.675 (mole) / 0.225(l) =

27(g) / 225(ml) ，需取 27 克 NaOH，本實驗使用光學天平

量取，加入自來水至刻度，接著放入磁攪拌子加熱攪拌使

晶體完全溶解，配置過程中，因刻度並不精細，加熱之後

蒸發，體積又會變化，故濃度上的誤差可能不小。

[3] 助教首先闡釋鎢絲很貴的概念（10元 / cm），希望我們要珍

惜使用，不要亂剪。我們使用的是直徑 0.38mm、純度 0.9999

的鎢絲，先用砂紙磨去表面氧化物，一邊用力將捲曲的鎢絲

拉直，用斜嘴剪剪約 1cm 小段至燒杯中以免很貴的鎢絲到

處飛（不需精確，其實長一點會比較好做針…），一人剪兩

段浸泡於丙酮中用超音波振洗約五分鐘。

[4] 浸入深度浸入深度浸入深度浸入深度：：：：本實驗並不以螺圈數定量鎢針浸入液面的深度，但實驗中發現浸入深

度對針形影響很大，故我們在準備時會大約目視估計，但確切長度需利用初值和

成品之間的長度差相減。

電解液濃度電解液濃度電解液濃度電解液濃度：：：：本實驗中完全不需調整濃度變因，全程以固定的 3M做。

SEM（掃描式電子顯微鏡）與光學顯微鏡：本實驗使用 600 倍光學顯微鏡觀察，

雖然 SEM可以到達 10 萬倍放大率，但實際上針形好壞 600 倍即可判斷，原意是

藉以觀察針尖是否到達單一原子的尺度，但事實上很困難，而稍大的針尖亦可能

掃出不錯的圖，另外助教提及 SEM抽真空耗費的時間過久，只是用來看針尖不尖

實在是殺雞用牛刀的做法。

電源截斷器電源截斷器電源截斷器電源截斷器（（（（右圖右圖右圖右圖）：）：）：）：這是本實驗最重大的改良，過去是

由針尖掉落或者電流變小手工將電源切斷，但由於電表刻

度過大，這項機制於是有失定量的原則。固有學長自組了

這台電流截斷器，使電解電路中電流小到一定的直後自動

截斷電源，這個截斷功能在之後實驗中發現與針的品質高

度相關。

[5] 電壓設定電壓設定電壓設定電壓設定：：：：不要超過 12V，以免電解反應過劇，大量氫氣產生

發生危險。

電解中電解中電解中電解中：：：：不要震動桌面，以免吃針或拉針時針形歪掉。

電解接近完成電解接近完成電解接近完成電解接近完成：：：：將電壓稍微調小，避免拉針瞬間吃針的動作沒

有停止，原本拉間的地方再被作用掉。

[6] 移動針的過程中要小心勿碰觸針尖，輕微的碰觸即會損壞

針尖，如：移走鑷子時須從側面取出，清洗時從尾端滴丙酮。

[7] 以兩盞鵝頸燈（左圖）為光源，先將針正對鏡頭擺放，左

右移動直到從畫面中看到鑷子，順著鑷子找到針頭，最後再調

整焦距至清晰。

18

[8] 最明顯的是放針的動作，我們似乎每支針都放了很久……夾針的地方不是很容易

插入，還要確定是垂直液面的，做出來的針才會盡可能的對稱，樣品架本身和其

與燒杯的接合處均不慎穩定，所以要注意調整。

[9] 欲達到之前描述的理想針形

理論上理論上理論上理論上：：：：要先盡量往內吃，到最後快要斷的時候瞬間用力向下扯，然後停止。所

以我們推估應該使用大電壓（加快前段速度和吃針程度）和越長越好的浸入深度

（提供後段的下拉重力）。另外助教建議在最後階段做調小電壓的動作。

實驗數根針後實驗數根針後實驗數根針後實驗數根針後：：：：發現前兩項推測基本上正確，但截斷電流對針形的影響更大，最

後的拉針關鍵需要重力和電解同時作用，針形才會漂亮，太大的截斷電流可能使

最後階段只靠重力向下拉，針會太長。至於調電壓的動作在幾次失敗之後發現不

調整的針形似乎比較理想，故最後都放著聽其自動截斷。

七七七七、、、、 實驗結果實驗結果實驗結果實驗結果：：：：

＃＃＃＃ 原長原長原長原長 (cm)

深度深度深度深度 (mm)

setI (mA)

電壓電壓電壓電壓 (V)

initialI (A)

時間時間時間時間 末長末長末長末長 (mm)

形狀形狀形狀形狀 備註備註備註備註

0 - ~5 0.6 10 0.081 - - - 助教示範

1 1.25 ~5 0.6 10 0.09 6’32 7

針尖稍長 來不及調整電壓

2 1.05 >5 0.6 10~8 0.07~ 0.063

8’20 5

1.加大浸入深度 2. 4’00調整電壓

3 1.05 <5 0.6 12~9 0.07~ 0.045

7’30 6

1. 縮小浸入深

度 2.加大電壓 3.3’50調整電壓

4 1.3 ~7 0.9 12 0.104 6’20

5.5 助教說還不錯

5 1.15 ~3 0.9 12 0.058 6’00 7.5

驗證浸入深度對

針尖的影響

6 1. ~4 0.9 8 0.055 10’30 5

驗證電壓值對針

尖的影響

7 1.05 ~5 0.3 12 0.085 6’25 4

嘗試較小的 setI

8 1 ~5 1 12 0.07 7’30 4.5

嘗試較大的 setI

19

←←←←Tip1

Tip2→→→→

←←←←Tip3

Tip4→→→→

((((向光向光向光向光))))

Tip4→→→→

((((背光背光背光背光))))

←←←←Tip5

←←←←Tip6

Tip7→→→→

←←←←Tip8

(背光背光背光背光)

Tip8→→→→

( ( ( (向光向光向光向光))))

20

八八八八、、、、 結果結果結果結果討論討論討論討論：：：：

我們可以控制的是電壓、浸入深度及截止電流。觀察實驗室

牆上貼的 poster，我們認為好的 tip 應如右圖，針尖幾乎是由平

台狀的金屬柱頂突出來，這樣比較能確保只有針尖的一顆原子參

與穿隧電流的形成過程。

電壓電壓電壓電壓

1. 電壓方面，明顯地電壓越大，做出來的針尖形狀越穩定。如 No.4和 No.1相比之

下，明顯地形狀較佳。而 No.6 是我們為了測試電壓較小時的反應狀況而做的實

驗，結果與我們預期相符，由於電壓較小，電解時間長，拉斷的動作不夠迅速，

使得針尖呈現不穩定的細長狀，而且也有稍微彎曲（可能是因為太細了）。

2. 由於助教提到了另外一種方法，即先開較大電壓，當電流達到某一較小值時，再

把電壓調小；如此可以避免針被拉斷的速度太快(電壓大則反應進行較快)，導致

沒有拉出夠尖的針頭，鎢絲就斷掉了。但是我們實際進行試驗時，卻發現問題：

預設要改變電壓值的電解電流值尚未達到，鎢絲就已經斷了（No.1 針）。事後討

論發現，這是因為每次進行電解時，由於鎢絲長度不一、在液面下的長度也不一

樣，因此初始電流值(Iinitial)本來就不一樣；也就是說，若想達到助教所說的效果，

這個準備要調整電壓的臨界電流值必須抓得剛剛好。例如 No.2和 No.3針，就是

因為太早把電壓調小，導致電解進行了非常久，做出來的針尖也過長。

3. 可能是因為對於抓準時機調整電壓的技術還不夠熟悉，因此對我們來說，完全不

調電壓、但起始電壓調高，是比較好的實驗條件，可以做出針頭形狀比較對稱且

尖銳的探針。

浸入液面深度浸入液面深度浸入液面深度浸入液面深度

1. 看之前學長姊的報告，都是說靠旋轉支架的螺數來記錄鎢絲入液深度。但是助教

說不需要，只要測量原本鎢絲長度，探針完成後再測量探針長度，就知道液面下

的有多長了。但是由於這是一個我們可以自己控制的變因，因此我們都會以目測

估計鎢絲在液面下的長度，藉由目測調整來達到想要的情況。

2. 一開始時，由於助教示範時讓鎢絲浸入液下約一半長，因此我們也都以這個尺度

為參考，做出來的幾個 tips都還不錯。No.4和 No.5是為了驗證浸入深度對針尖

形狀的影響，很明顯地可以看出當鎢絲浸入液面不夠深時，會因為下端鎢絲的拉

力不足，而出現”兩段式”的針尖形狀（No.5）；而當液面下的鎢絲夠長時，由於拉

扯的力量較大，因此形成的針尖不會太長，由 No.4針也可以看出實驗結果與我們

的推測相合，因為 No.4針的針尖長度明顯比 No.1~3針來得短。

21

截止電流截止電流截止電流截止電流

截止電流是我們原先以為最不會有影響的變因。助教示範時使用 0.6mA的截止

電流，也說了他們平常都是用這個值，因此我們也就以 0.6mA做為基本參數。由於

power supply自動切斷電流時，由我們的觀察看來，都是電流由某一個較大的值忽然

跳至零，而不是循序漸進地慢慢變成截止電流；因此我們猜想改變截止電流應該不會

有太大的影響。但是結果發現，當我們改用 0.3mA的截止電流時，竟然拉出了漂亮

的平台；反之，使用 0.9mA或是 1mA的截止電流時，拉出來的針尖都只能算是角錐

狀，而不是我們想要的”平台加針尖”狀。因此我們認為截止電流應該要小，也許就是

差了那麼幾分之一秒的時間，就能夠使角錐的周圍被電解掉而留下漂亮的平台。

九九九九、、、、 問題討論問題討論問題討論問題討論（（（（參考參考參考參考實驗過程中實驗過程中實驗過程中實驗過程中星號部分星號部分星號部分星號部分））））：：：：

1. 為什麼選用鎢做為什麼選用鎢做為什麼選用鎢做為什麼選用鎢做 tip：：：：

基本上不只有鎢可以做 tip，也有人用金或其他金屬來當 tip。然而由於鎢較為便

宜（10NT/cm），而且不容易氧化，因此在本實驗中便選用鎢來做 tip。

2. 做針有利用做針有利用做針有利用做針有利用 AC 和和和和 DC 電源的電源的電源的電源的，，，，其差別為何其差別為何其差別為何其差別為何？？？？

本實驗中是使用 DC電源，因此在實驗

過程中WO42-沉澱會不斷地產生，將鎢整個

包住。由於被沉澱物包住，所以大部分浸泡

在溶液裡的鎢沒有辦法被電解，只有在接近

液面的部份能夠產生反應，因此鎢會在液面

的部分被截斷。在電解反應過程中，鎢不斷

地被侵蝕，直到還未切斷的部份撐不住重

量，拉扯到未斷部份的結構，因此會產生出

如右圖的針尖。

若實驗中選用 AC電源，則因為正負極

會不斷地改變，所以當沉澱一產生，下一個

瞬間就會散掉，沒有辦法像 DC電源一樣有

穩定的沉澱保護內部的鎢不被電解。因為正

負極不斷改變，因此電解反應中的陽極陰極

也不斷在改變。假設在此瞬間是鎢當陰極，

則會產生WO42-沉澱，而陽極（實驗中是不

鏽鋼）則會產生氫氣；然而在下一個瞬間換成不鏽鋼是陰極，鎢是陽極，則在鎢針上

會產生氫氣泡，如上圖。當產生氣泡後，氣泡會往上跑，因此下半部份再一次的電解

速率會高於上半部份，因此會產生如上圖的針尖。

22

3.3.3.3. 本實驗之電解反應式本實驗之電解反應式本實驗之電解反應式本實驗之電解反應式？？？？

)(22

42)(

)(22

4)(

)(22

322:

38:

6366:

gs

gs

g

HWOOHOHWTotal

HWOOHWAnode

OHHeOHCathode

+→++

+→++

+→+

−−

−−

−−

4.4.4.4. 電解時從鎢絲延伸到杯底的透明細線為何電解時從鎢絲延伸到杯底的透明細線為何電解時從鎢絲延伸到杯底的透明細線為何電解時從鎢絲延伸到杯底的透明細線為何？？？？這條細線對造成這條細線對造成這條細線對造成這條細線對造成針尖針尖針尖針尖有有有有何何何何影響影響影響影響？？？？

透明的細線是WO42-的沉澱。由於有WO4

2-的沉澱環繞

在鎢針的周圍，因此在液面處的鎢針最容易被電解。當在

液面附近的鎢針慢慢的被侵蝕至截斷時，液面下的鎢針因

為重力而向下掉落，此時會拉扯到截斷面附近的結構。由

於這股拉扯的力量，使得截斷面上出現針尖的結構。由於

這個力量是在鎢針快要被侵蝕斷掉時才產生，因此這股拉

力的大小剛好可以將截斷面附近的結構拉成非常細的針

尖，所以更有機會使得 tip的尖端剛好有一個原子。

5.5.5.5. 顯微鏡觀察時顯微鏡觀察時顯微鏡觀察時顯微鏡觀察時，，，，背光與背光與背光與背光與向向向向光所得的影像有何差異光所得的影像有何差異光所得的影像有何差異光所得的影像有何差異？？？？

雖然針尖向光的影像較亮也較清晰，但相對地因為反光

的關係，會影響到觀察時所看到的針尖曲度，也容易讓人誤

以為鎢針表面凹凸不平。而背光的影像雖然看起來較暗，但

是觀察到的針尖外形卻比較正確。以 tip 4為例，針尖向光所

拍得的影像表面較亮，但較不易確實辨認針尖的形狀；而背

光時的影像雖然看不清楚鎢針表面的情況，但是針尖附近的

形狀卻可以很輕易地觀察出來(見右圖)。

向光

背光

23

一一一一、、、、 實驗目的實驗目的實驗目的實驗目的：：：：

了解 STM之原理與各項參數的意義，學習操作 STM掃描 HOPG石墨之表面形

貌，試驗自製鎢針掃描影像的效果。

二二二二、、、、 實驗簡介實驗簡介實驗簡介實驗簡介：：：：

TitleTitleTitleTitle : Circles on Circles

MediaMediaMediaMedia : Unknown on Copper (111)

TitleTitleTitleTitle : Steps on Steps

MediaMediaMediaMedia : HOPG

隨著 STM造影技術近年來發展迅速，基本上可掌控的各種參數和高解

析度的要求皆發展完備，故本實驗主要是熟悉最陽春的 STM機器操作

方式，練習放針及放樣品的動作，了解最尖端的科技其實並不是遙不可

及的。（上面兩張圖分別為 IBM 及本組所掃出的影像… : )）

三三三三、、、、 實驗器材實驗器材實驗器材實驗器材：：：：

1. STM (Scanning Tunneling Microscope) 及附加軟體（easyScan）

2. 上一次實驗所製鎢針數支

3. 高定向有序石墨樣品

（HOPG, Highly ordered pyrolytic graphite）

（右圖為 HOPG石墨 STM掃描影像）

4. 鑷子、清洗用酒精

STMSTMSTMSTM 掃描掃描掃描掃描

日期日期日期日期：：：：3/8/2006

時間時間時間時間：：：：13:30 ~ 18:00

24

四四四四、、、、 實驗步驟實驗步驟實驗步驟實驗步驟（（（（實驗流程圖實驗流程圖實驗流程圖實驗流程圖）：）：）：）：

五五五五、、、、 實驗架構實驗架構實驗架構實驗架構：：：：

實際裝置圖實際裝置圖實際裝置圖實際裝置圖

實驗 Layout �

裝上樣品及鎢針裝上樣品及鎢針裝上樣品及鎢針裝上樣品及鎢針

1. 鎢針自金屬絲固定架側邊滑入至凹槽後輕輕推到底

2. 樣品吸附到樣品架上（勿觸碰樣品架之圓柱金屬表面）

3. 樣品架置於STM上漸漸向鎢針推進4. 罩上壓克力保護罩從放大窗口觀察樣品與針尖的距離

5. 輕擊外罩進一步推進樣品直到在樣品表面看到針尖的倒影

（此時STM應顯示橘色燈號）6. 將外罩移正

7. 設定bias0.5V

按 Approach 鍵（此時應為橘色和綠色互閃的燈號）

開機開機開機開機

1. 開電腦及STM電源2. 開“easyScan”軟體

讓電腦抓到STM硬體

Approach成功成功成功成功（燈號變為綠色）

Approach失敗失敗失敗失敗（持續無法approach）

依照實驗過程註[8]檢查修正

掃描掃描掃描掃描

1. 熟悉軟體各項功能和參數調整的意義

2. 移動樣品並改變不同的掃描範圍觀察掃描結果

3. 逐漸縮小範圍試驗STM的解析度

替換不同的針並比較鎢針品質與圖形解析度的關係

STM馬達主體

接電腦控制

25

� 未裝樣品架

裝上樣品架 �

� 罩上上蓋

架構示意圖架構示意圖架構示意圖架構示意圖

STM主體主體主體主體

STM控制器控制器控制器控制器

電腦電腦電腦電腦

大理石避震基座

壓克力保護罩

觀察用放大視窗Approach 顯示燈

STM主體主體主體主體

STM控制器控制器控制器控制器

電腦電腦電腦電腦

STM主體主體主體主體

STM控制器控制器控制器控制器

電腦電腦電腦電腦

大理石避震基座

壓克力保護罩

觀察用放大視窗Approach 顯示燈

步進馬達推進處

（磁鐵）

探針固定處 Approach警示燈號

26

六六六六、、、、 實驗過程實驗過程實驗過程實驗過程：：：：

前置前置前置前置

1. 閱讀助教提供的學長姐的實驗結報，發現內容都十分豐富完整，在尚未自己查詢

資料之前，先看完並理解他們的報告內容就要花去不少時間，STM原理和簡介部

分大同小異，雖然大家都學過量物的穿隧效應，但牽涉到繁雜的公式和真實狀況

之間的模擬還是讓人有些混亂。

2. 我們決定先了解 STM的基本精神就好，重點放在學長姐的實驗經驗，好讓前兩次

實驗能夠順利進行，之後再操心學理部分。

3. 另外蒐集相關的資料：包括 STM最早提出的論文[1]、STM在生物醫學方面的應用

[2]、做針相關的技術[3]等等。

實驗實驗實驗實驗

馬達推進機構（溝內為磁鐵）

置針凹槽

固定針用金屬絲

圓柱形

金屬樣品架

樣品

裝入鎢針及樣品裝入鎢針及樣品裝入鎢針及樣品裝入鎢針及樣品

以外罩頂住

樣品架

輕輕敲擊

27

1. 赴舊物 315。

2. 助教說明 STM附加軟體的操作[4]，並簡介旁邊的 AFM，說明 STM的優勢[5]。

3. 使用軟體的 stimulation功能[6]，掃描的表面為高定向有序

石墨樣品（HOPG），並熟悉軟體的各種調整機制。

4. 助教使用 tip1示範，介紹樣品架、樣品、歩進馬達工作方

式、裝針、裝樣品等動作要領[7]。

5. 示範 approach，第一次失敗，檢查，修正[8]。

6. 第二次 approach成功，開始掃描，調整視野尺度，照相數

張存檔。

7. 退針，在顯微鏡下觀察針尖是否受損。

8. 使用 tip2，裝針失敗，用損壞的針頭試圖 approach，

發現訊號不穩定無法使用。

9. 使用 tip3，順利裝針、approach，掃出很漂亮的石墨

平台和階梯[9]，助教趁機提問關於樣品選擇*和深奧

的表面科學*，照相十數張後，試圖逼近原子尺度觀

察，最後因訊號不穩疑似撞針作罷，退針。

10. 討論之後決定挑選我們最好的針 tip7挑戰原子尺度極限！裝針過程順利，但

approach花了不少時間，發現歩進馬達有時會非常的慢。Approach完成後，掃出

似乎是比 tip3更 smooth的平台和清楚的台階，更確立了針的品質和圖像解析度是

高度正相關的。拍照數張後開始縮小範圍，放大影像，移動樣品的過程中畫面漂

移的問題頗令人困擾[10]，放大至 0.78nm，依稀可辨一顆顆原子，拍照，退針。

11. 最後挑選我們最爛的針 tip5以玆對照，但從 approach動作即相當困難[11]，圖形雜

訊極大，無法掃描，退針。

12. 存檔，收拾，略討論報告進度，撤退。

◎◎◎◎ 註註註註（（（（見實驗過程中見實驗過程中見實驗過程中見實驗過程中 [[[[下標下標下標下標] ] ] ] ）：）：）：）：：：：：

[1] [2] [3] 見 p. 8 Ⅲ.尖端應用

[4] 軟體＂easyScan＂，主畫面分成四個小視窗如下：

SCAN 雙視窗 life 顯示掃描結果

SCAN

VIEW

FEEDBAC

APPROAC

28

Z-range：探針垂直運動超過此值時才會顯示於圖上。

Scan-range：掃描的表面範圍。與 Z-range要對應調整，放大範圍時須先調整

Z-range，縮小範圍時則先調整 Scanning-range，如此可避免禿然遇到太大的表面起

伏而撞針。

X / Y –slope：當樣品本身整體的不水平，可能使掃描過程中針尖以側面與樣品作

用，使結果出現誤差，故可調整平台使樣品水平。

Time / Line：掃描的速度，理論上速度越慢越能使針尖完全穩定的貼著表面掃描，

而得到相對精確的圖形。

Apply：按下後改變的參數生效。

VIEW 調整視窗上呈現的圖形

DataType（內建只有 ForwardScan）：選擇掃

描方向。（Forward / Backward bias* � 定義針

尖相對樣品正為正偏壓，反之為逆偏壓。）

LineMath（Raw / Average / Plane / Derive）：顯

示原始資料或經過運算處理的資料。

Display（TopView / 3Dview / ShadeView /

DualLine）：調整顯示俯視圖、立體圖、等不

同效果以方便觀察。

Optimize：將當時的起伏 range適度 nomalize

到容易判讀的色階分布。

FEEDBACK 調整回饋機制

29

SetPiont：設定回饋電流。控制針與樣品一定

的距離對應的穿隧電流，利用回饋機制調針的

垂直高度以維持此固定電流。

Gain (P-gain / I-gain)：訊號被放大的程度，因

為雜訊的存在，此項影響圖形的品質，當訊號

（tunneling current）小而雜訊大時，需將 gain

調小，反之則調大（本軟體並無處理過濾高頻

雜訊或傅立葉分析的功能）。

Gap voltage：針尖對樣品的偏壓，在 approach時須先調大至約 0.5V（掃描時 0.05V

即可），讓針尖提早偵測到穿隧電流，整個回饋機制在較遠處開始工作，則可以避

免撞針危險。

APPROACH 調整歩進馬達 approach的動作並

顯示步數

Zero：左邊的計數歩數歸零。

Approach / Withdraw：自動將樣品一歩歩靠近 /

遠離針尖。

↑/↓：手動調整歩進馬達動作。

Stepsize：調整一個 step為歩進馬達一步距離的

百分比。

[5] STM之所以可以達到＂原子尺度＂的解析度，不只是因為針尖的大小，更主要的

是來其穿隧電流公式，電流正比於 exp(-αd )，其中 d為針尖與樣品距離，故電流

對距離的變化是以對數形式相關，敏銳的程度可以到達原子尺度，相較之下，同

樣用來掃描表面形貌的原子力顯微鏡（AFM）以原子之間的作用力為主要探測依

據，使得到的電流關係約正比於［常數 / d12 –常數 / d6］，主要是負十二次方的相

關性，相較之下靈敏度就小很多。另外，STM 在造價上（~35 萬）也較其他顯微

鏡如 SPM（~200萬）可愛許多。

[6] Stimulation的畫面與正式掃

描相同（連畫面飄移的瑕疵

也有逼真的模擬……），右圖

可以看出模擬下整齊的石墨

原子排列。

[7] 樣品架樣品架樣品架樣品架：：：：光金屬圓柱，以磁鐵

30

吸住樣品。

樣品樣品樣品樣品：：：：助教的盒子裡有各種金屬樣品，也有一些石墨，但我們使用的是？石墨，

被非常慎重的自己裝在一個盒子裡，可見其珍貴，此石墨之特色為具有極明顯而

平滑的層狀構形，適合作為掃描樣品。

歩進馬達工作方式歩進馬達工作方式歩進馬達工作方式歩進馬達工作方式：利用馬達與樣品架圓柱間的靜摩擦力（無相對運動）使樣品

架前進，馬達後退時作用力減小為動摩擦（二者間

開始有相對運動），使樣品架留在原處，達成推進

一步的動作。

裝針裝針裝針裝針：：：：從旁邊金屬架下滑入至白色載台卡住，切勿

嘗試硬將金屬架往上抬。

裝樣品裝樣品裝樣品裝樣品（（（（以下動作需非常非常的小心以下動作需非常非常的小心以下動作需非常非常的小心以下動作需非常非常的小心！）！）！）！）：：：：樣品架放上

後慢慢向針尖靠近，罩上蓋子從放大鏡可以觀察到針尖

與樣品的相對位置，以樣品架末端砥柱蓋子，一邊注意

從窗口觀察，一邊用鑷子輕輕敲擊蓋子將樣品逼近針

尖，當可以從光亮的樣品表面看到針尖的倒影時代表二

者已經相當相當的接近，可以開始自動 approach了。

[8] 檢查步驟：

[9] 一開始畫面出現異常整齊的色帶分布，全體組員不明所以然……（這是個斜坡

吧？what does that mean？）直到識貨的助教發現那是很好的影像，若要檢查掃到

的是不是真實的影響可以左右移動一下看看特定的結構是否一起移動或者縮小放

大看看改變的狀況。

[10] 狀況是，每一回掃描，影像會往右下平移一個距離，所以我們所希望掃的結構

使用＂withdraw＂將

樣品退遠之後手動按

↑和↓鍵，以肉眼觀

察樣品是否有動作

有 一切正常，回去

自動 approach 吧

無 打開蓋子聽聽看按

↑和↓鍵時是否有

馬達運轉聲音

有

無 你的馬達壞掉

了……送修吧

樣品架髒掉

了，無法使用

較強的靜摩擦

力推動，拿下

來用酒精擦完

後再試一次

31

會不斷跑出畫面中央，使放大的功能很難進行，要不斷的用＂move＂去調整，但

＂move＂的功能並不如畫面所示的容易掌控，而且我們不知道圖是不是一直都是

在樣品有移動的狀況下掃出來的，如果是，那失真的狀況就更嚴重了。

[11] 不穩定的狀況有：

1. 難以 approach，即使在＂approach done＂的訊息出現時依然是亮橘燈的。

2. 綠燈掃到一半變成橘燈，代表針漂走了，不在受控於定電流的回饋機制。

3. 掃描橫剖面出現紅色的部分顯示為不正常的雜訊。

七七七七、、、、 實驗結果實驗結果實驗結果實驗結果及討論及討論及討論及討論：：：：

1. Tip1 是初次嘗試 approach和掃瞄，在嘗試 approach的過程中似乎跟樣品有輕微的碰

撞，但後來用光學顯微鏡觀察時並無明顯異狀。成功 approach後掃到了表面的圖形，

雖然畫面並不是很完整，卻也有掃到階梯狀的構造。

2. Tip2（（（（撞針撞針撞針撞針））））

在撞針後仍想嘗試 approach，結果發現因為撞針使針尖彎曲，不再是以”一點”的

型態與樣品表面接近以產生穿隧電流，因此儀器無法進行 appraoch的動作。

3. ＴＴＴＴip3

從大尺度範圍開始，若影像夠清晰則持續縮小掃瞄範圍以放大樣品表面的局部構

造。

32

<200nm>

掃瞄出非常明顯的石墨階梯狀結構。

<100nm> 把掃瞄範圍縮小成原來的 1/4後，可以更清楚地看到因石墨的獨特片狀構造而形

成的台階。

<50nm>

再縮小後，因為剛好不是掃到階梯的邊緣，所以看到的是台階上的斜面位置。

33

由於階梯邊緣可以最明顯地看出樣品表面的高度變化，所以我們先使用 100nm

維度尋找較清晰的台階狀構造。偶然地發現在某層平台的邊緣有一團白色的東西，表

示異常的凸起物。詢問助教後知道這是吸附在石墨樣品表面上的汙染物，從畫面中可

以明顯看出它比兩側的台階來得高。

另外我們也發現，在探針掃經過汙染物時，在汙染物前後的平台呈色遠比同層平

台來得深(白點兩邊的黑色帶)，表示這兩區的高度較低(如第二張圖所示)；但事實上

平台是平的，並沒有比較低窪的情況。所以其實是探針受到汙染物異常凸起的影響，

而造成它對凸起物四周樣品高度的誤判。我們猜想這是因為 STM 的顯像原理是 tip

和 sample間的穿隧電流，而”掃瞄出正確影像”的前提是”與 tip 產生穿隧電流的，是

位於 tip正下方的原子”。因此當在平台邊緣有異常的凸起物時，有可能這個凸起物上

的原子因為與 tip距離很近，所以也產生了穿隧電流；這樣一來儀器讀到的穿隧電流

值就不能反映出真正的樣品表面高度，因此造成怪異的下凹處。

4. ＴＴＴＴip5（（（（爛針對照組爛針對照組爛針對照組爛針對照組））））

34

編號 5的探針當初就是為了做為對照組，而刻意抓條件做出來的成果。它的形狀

不像其他針一樣是一個平台配上針頭，而是呈現兩節狀的錐狀針頭。由於我們參考了

上屆學長姊的報告，原本以為這樣的針頭應該是根本無法掃瞄的；沒想到它卻成功地

完成 approach的動作，因此我們也試著掃瞄了一些圖片出來。結果發現正如助教所

言，”能不能掃得到圖，與針的好壞沒有絕對的關係”；這根針明顯地不符合 STM探

針的要求，卻仍然能掃到圖。但是我們也證實，雖然能不能掃到圖與針的好壞無關，

但是掃出來的解析度卻與針尖大有關係。同樣是使用 200nm的維度進行掃瞄，tip3

掃出來的是清楚的梯田狀分布，而 tip5卻只能掃出不規則的起伏，顯示出雜訊非常大。

我們推測這是因為 tip5的針尖是呈錐狀，而非 STM所要求的”1 個原子維度”，

也就是說當 tunneling效應發生時，除了最靠近正下方的一顆原子與 sample間產生穿

隧電流外，尖錐側面上其他的原子也有可能與 sample上的其他原子作用產生穿隧電

流。這也是為什麼 STM探針的形狀必須像一個平台插上針頭，因為這樣可以避免有

多於一顆的原子產生穿隧效應。

5. Tip7（（（（最佳最佳最佳最佳））））

tip7是我們認為最接近 STM探針形狀的成品，因此我們決定嘗試將掃瞄尺度慢

慢縮小至原子尺度，看看能不能掃瞄到規律的排列。

<200nm>

和 tip3一樣，掃到明顯的階梯狀結構。

<100nm>

35

<50nm>

明顯地這是一個台階的邊緣處。從 3D圖中可以看出，在這個維度下已經出現一

些明顯的雜訊，如圖中階梯邊緣上的白色雜點。

與 tip3 掃出來的 50nm維度圖比較，可以很明顯地看出 tip7 的解析度的確優於

tip3；整個影像的顆粒都較小，色塊較均勻，不像 tip3掃出來的圖看起來就覺得有很

多雜訊粒子。因此證明探針的確是 STM系統中控制解析度的關鍵，也證實像 tip7這

種”平台上插一根針”形狀的探針的確較適合 STM系統的設計。

<25nm> 放大後的台階邊緣處。（再次顯現 tip7良好的解析度）

36

<12.5nm> 理論上與上圖應該是同一處，但因為探針的位置不斷地漂移，因此可以從圖中看

出台階邊緣已經移到圖中左上角的位置，快要離開掃瞄範圍了。

<6.25nm> 重新找回台階的邊緣處，可以看出到了這個維度(6.25nm)，針的解析度就變得很

重要。雖然仍可看出台階邊緣位置的高低落差，但是表面已經變得不太平順，由 3D

立體圖中亦可看出訊號的不穩定。

37

<3.13nm> 雖然已經看不到台階（因為在這麼小的尺度下移動掃瞄範圍很危險，因此我們採

取”針在哪裡就掃哪裡”的策略），但是訊號看起來似乎有點規律性的起伏，在 TopView

視圖中似乎不是那麼的雜亂，所以我們繼續縮小掃瞄範圍。

<0.783nm> 掃出來的這張圖看起來似乎有蠻規律的起伏，在 3D圖中尤其明顯。在探針掃瞄

的過程中我們也發現，LineView時常出現三個維度一致的 peak（下圖）；讓我們懷疑

這是否就代表整齊排列的三顆原子呢？*

：：：：

38

八八八八、、、、 問題討論問題討論問題討論問題討論（（（（參考實驗過程中星號部分參考實驗過程中星號部分參考實驗過程中星號部分參考實驗過程中星號部分））））：：：：

一一一一、、、、 三個三個三個三個 peak 的謎團的謎團的謎團的謎團：：：：

查資料得知，石墨的晶體結構表現於碳原子成層排列。每一層中的碳原子按六方

環狀排列，每個碳原子 與相鄰的三個碳原子之間的距離均相等（1.42Å）；而上下兩

層中的碳原子之間的距離比同一層內的碳原子之間的距離要大得多（3.35Å）。而我們

所掃到的圖形是在約 7.8 Å的範圍內出現三個週期性的 peak，不管用同層或相鄰兩層

內的碳原子距離來算，都是不相符的；也因此我們原本已經放棄希望，認為那不過是

雜訊而已。

但當我們使用 EasyScan做模擬掃瞄時，卻有了意外的發現！下圖便是利用

EasyScan的 stimulation功能所掃瞄出的石墨原子影像；在掃瞄維度同樣是～0.78nm、

縱軸刻度一致的情況下，它的 LineView和我們所掃出的圖形非常相似！但在TopView

的部分我們的圖形並未呈現出明顯的格狀分布，這應該是因為我們的探針解析度還不

夠好，所以無法連續地掃到原子尺度的變化；因此受到其他區域的雜訊影響，整個圖

形就看不出格狀結構了。但是能掃到原子的排列還是一件非常值得令人高興的事！

二二二二、、、、 為何本實驗特別選擇石墨作為觀測樣品為何本實驗特別選擇石墨作為觀測樣品為何本實驗特別選擇石墨作為觀測樣品為何本實驗特別選擇石墨作為觀測樣品？？？？

由於 STM是在接觸空氣的情況下觀察，而石墨較其他樣品穩定，較不容易產生

氧化物反應，所以在表面上會保留大量的平台結構，因此我們選擇石墨作為觀測樣品。

三三三三、、、、 實驗中觀察到一些微小的凸起物實驗中觀察到一些微小的凸起物實驗中觀察到一些微小的凸起物實驗中觀察到一些微小的凸起物（（（（可能為灰塵可能為灰塵可能為灰塵可能為灰塵）））），，，，其位置容易停留在階梯的其位置容易停留在階梯的其位置容易停留在階梯的其位置容易停留在階梯的

邊緣處邊緣處邊緣處邊緣處，，，，原因為何原因為何原因為何原因為何？？？？

右圖代表一樣品的表面，圖中圓

形的代表原子。由量子力學可以知

道，電子的分布是機率密度，因此我

39

們可以想像其為電子雲。任兩原子的電子的波函數會互相混合影響，因此兩原子的電

子雲會產生交互作用而有新的分布，使我們無法分辨哪一顆電子是屬於哪一個原子，

這造成在圖中兩原子間都會有電子雲的分布。由於電子的聚集，所以我們可以想像（基

本上正電荷由質子攜帶，而在原子中質子位於原子核內，其位置不會改變）正電荷會

因為正負相斥的力量而聚集於原子的上方，如圖。

當樣品的表面遇到邊緣時，電荷的分布會稍微改

變。右圖中圓形代表原子，由於正負電相斥的關係，正

電荷和負電荷會分別聚集。我們可以將正電荷的分布想

像成一帶正電的粒子，而負電荷的分布想像成帶負電的

粒子，此時這個電荷分布會形成一個電偶極矩。由於這

個電偶極矩，在樣品的邊緣便會產生一個小電場

（dipole-field）。當灰塵粒子掉落到這個邊緣時，會受到電場的力，因此不容易跑到

別的地方，所以在樣品的邊緣比較容易發現灰塵顆粒。

四四四四、、、、 調整調整調整調整 gap voltage、、、、正偏壓正偏壓正偏壓正偏壓、、、、負偏壓負偏壓負偏壓負偏壓、、、、掃描方向掃描方向掃描方向掃描方向，，，，掃出來的圖形不一樣的原掃出來的圖形不一樣的原掃出來的圖形不一樣的原掃出來的圖形不一樣的原

因因因因？？？？ [11]STM 的影像可區分為兩類，當樣

品表面的電壓低於探針時（正偏壓），

樣品表面原子的佔據態電子就構成穿隧

電流，所以產生的是表面的佔據態影

像；如果樣品表面的電壓高於探針（負

偏壓），則產生的是表面的非佔據態影

像。對一般的金屬表面而言，這兩種影

像差異甚微，但是在半導體的表面則有

較明顯的不同。右圖上半部份分別為表

面的非佔據態（左）與佔據態（右）的偏壓狀況。由於造成穿遂電流的偏壓的不同，

使得正偏壓的穿遂電流不會完全與負偏壓的穿遂電流吻合，因此掃描出來的圖形也會

有所不同。右圖中下半部份分別是樣品表面（矽(111)-7x7）的非佔據態（左）與佔據

態（右）影像，其中圓形的黑洞是 corner hole，由六個分屬六個半晶胞的 corner adatom

所圍繞。三個相鄰 corner hole間的區域就是一個半晶胞，相鄰 corner hole間的連線就

是晶胞邊界。在非佔據態中看到的亮點是最上層的 adatom。但在佔據態影像還可呈

現第二層的 restadatom，不過此時的亮點連在一起。這說明 restadatom在費米能階附

近缺乏非佔據態的電子態分布。

要使電子態的分布顯現出來，便是讓某個能量範圍的電子形成穿隧電流，再記錄

所有能量的穿隧電流，加以結合成為掃描穿隧能譜（STS，Scanning Tunneling

Spectroscopy）。然而 STS並不能真正代表探針下方粒子的電子態分布，因為穿隧電

流的大小與探針和粒子在費米能階附近的電子態分布有關。事實上，STS表現的是粒

子與探針之間電子態分布糾繞（convolution）的結果，而非真正表面的影像。這讓 STS

的效果大打折扣，因為 STM探針的前端結構（影響電子態分布的關鍵）很少會一樣，

使得 STS的重複性不佳。

40

ⅤⅤⅤⅤ....實驗改良實驗改良實驗改良實驗改良

一一一一、、、、 做針部份做針部份做針部份做針部份：：：：

1. 放鎢絲的裝置不夠完善，沒有辦法穩穩地固定鎢絲，也無法確保鎢絲垂直於地面。

→→→→加深固定鎢針的溝槽，並且儘可能使其剛好吻合鎢針的

大小。同時一開始剪鎢針時就應儘可能將其拉直，一點點

的彎曲可能都會使得受力不均勻而無法做出漂亮的 tip。

2. 截斷電流的設計在每次使用後都要先調到disable才能繼續使用，可能會造成問題。

→→→→經過思索，我們提出一個改良電路如下圖，可以不用上述步驟。

上述電路圖看似零亂，今寫出對等系統圖如下。

改良電路圖改良電路圖改良電路圖改良電路圖（（（（顯示電子元件顯示電子元件顯示電子元件顯示電子元件））））

改良電路改良電路改良電路改良電路(系統觀點系統觀點系統觀點系統觀點)

41

Input：直接接 voltage source。

Transmission Gate：因為電流截斷器有控制輸出的功能，如果只用一個MOS，會發生

output電壓與 input電壓差 V_DS (drain與 source之間電壓) 。本設

計使用 transmission gate可以避免這個問題，可使實驗結果更為精

確。

Current Threshold：這部分負責量輸出電流，其中 ground可以接回 voltage source的負端。

因臨界電流為可變式，故用一堆開關和對應電阻表示。電流訊號以

橫跨對應電組的電位差表示，這個值會傳到 decision 區做為 decision

條件。

Voltage Regulator：一個穩壓器，能確保這區輸出電壓為定值，這是因為裡面使用 Zener

diode 工作在 breakdown 時跨壓可視為定值。輸出電壓值為

)1(3

2

R

RVV ZO += 。這個值將視為標準值，在 decision 區與 current

threshold傳回值比較。

Decision：決定 current是否小於臨界值。在 current threshold區已經把電流訊號轉成電

壓訊號，所以只要比較量測電壓與標準電壓的大小即可(不管電流臨界值設

定多少，最後都臨界電壓透過 可變/可選 電阻都會變成一樣的值)。如果量

測電壓比標準電壓大，則 decision 輸出正值，使 transmission gate傳遞來自

input的電壓。如果不是，則 decision 輸出負值，使 transmission gate 擋下 input

電壓，output 區得到 0電位。

因為電流被截止後拔下 input電源供應器(或關調電源供應器)不會影響電路，所

以不需要額外的設定 enable/disable按鈕，因此改良前人設計。

二二二二、、、、 掃描掃描掃描掃描部份部份部份部份：：：：

1. 放置鎢針的方法太過於傳統，容易造成鎢針的損壞。

加裝一個步進速度較高的馬達，例如 1mm/sec~10µm/sec的 order。在一開始要讓

鎢針逼近 sample至大約 10µm時可以利用速度較大的馬達，如此一來不僅可以加

快做實驗的效率，同時也可以增加實驗的穩定性，減低撞針的機率。

2. 鎢針撞到 sample的燈號是紅色，而正常狀態下是橘色，兩者顏色太過於類似，在

遠處觀察易造成混淆。

將橘燈換成藍色的或白色的燈比較容易辨識。

42

ⅥⅥⅥⅥ....心得心得心得心得

左起：張芷維、蔣季庭、徐斌睿(助教)、羅弘益、陳哲聿。

近代物理實驗又是一個新的開始，不同的組員，不同的分工模式，是否會激盪出

更璀璨的火花？從一開始上帝就十分眷顧我們，”輕鬆地”選到三個心目中理想的實驗

（雖然都不清楚要做什麼），而且第一個實驗 STM還只要做兩個禮拜！上帝不會玩骰

子，但祂可是會開玩笑！我們第一次做實驗到了舊物館 3樓，卻找不到助教所說的教

室；在家靠父母，出外靠朋友，還好 STM是兩組同時進行的實驗，因此打電話給同

學後才”順利地”找到助教。對針蝕刻的實驗我在大二基礎物理實驗便已接觸過，雖然

原理有些不同，不過大致上流程都類似，所以不會感到陌生。不過就算再簡單的實驗

其背後的原理也不容小覷，經過這次實驗我徹底體會這句話的涵義。助教很喜歡問問

題，因此做實驗的空檔他一直提出一些問題讓我們思考。有些問題似乎顯而易見，但

是仔細思考下卻又不像想像中的容易。第一次實驗做完，花了很多時間在做腦力激

盪，雖然精神疲累，不過收穫卻十分豐碩。由於我們的組員喜歡思考而且勇於猜測，

助教索性提出了更多問題，這也是我們報告內容豐富的原因之一。第二次實驗我們便

進行掃描的工作，如同以往，在正式開始做實驗之前，我們大概又花了兩個小時在回

答助教的問題並提出更多新的疑問。這次實驗做令人振奮的是，我們用自己做的針居

然掃到了原子的尺度！以往學長姐的報告都說他們都掃不出來，但是我們居然做到

了！那一刻，大夥兒的興奮溢於言表。實驗做完剩下的就是報告，這是我目前人生中

做過最豐富的報告，從份量或內容來看都一樣。看到其他組員認真的態度，不得不砥

礪自己，就算沒有辦法提升報告的水準，也不要成為別人的絆腳石！大概就是這種同

儕間互相監督求進步的精神，致使我們的報告擲地有聲！

By 蔣季庭

43

第一次做近代物理實驗，全新的組員組合，全新的合作模式，很新鮮，也很歡樂。

第一堂課就得知 STM 這個實驗只需要做兩次實驗，剩下的時間頗多，於是接下來就

不知不覺的多找了許多旁枝的資料，結果是做了一份自認為龐大而內容豐富的結報。

兩次真正＂做實驗＂都做了頗久，但過程是愉快充實的，主要是助教很願意說明一些

細節和補充問題，讓我們在所有等待（電解鎢針、approach等）的時間都忙著想問題，

完全的無暇感覺無聊，另外組內有手很巧的實驗派組員（……絕對不是我），導致整

個做針和掃描的成果在並沒有很仔細設計參數的狀況下出奇的成功，掃出漂亮的平面

真的很令人雀躍！實驗過後，研讀資料、paper等，讓人對這個領域的知識擴展不少，

再去找助教釐清一些實驗中的問題，六個禮拜竟就這樣過去了…。很高興選到 STM

這個題目，也很高興藉由這次實驗的經驗認識了一個好助教、一群好組員、還有校園

另一頭別有洞天的舊物館：）。

By 張芷維

當初選擇實驗題目時，由於什麼都不懂，也就只能望文生義、自行揣測。沒想到

第一個實驗 STM 就只要做兩次實驗！由於實驗本身的輕鬆愉快，大夥兒便興高采烈

地＂策劃＂了一份驚天地泣鬼神、前不見古人後不見來者，風格獨樹一幟的實驗結

報。沒想到卻導致一週挖坑、三週填坑的下場……但是看到精美又豐富（人格保證絕

非複製貼上！）的報告漸漸成形，為了讀 paper 跟英文奮鬥的痛苦又何足道哉。感謝

上天給了我們一個好助教，在打理一切實驗事宜之餘，仍不忘引領我們從實驗中發現

問題，再誘導我們尋找答案；一邊做實驗一邊動腦思考，堪稱人生樂事。感謝組員們

個個身懷絕技，無論原理探討、實驗操作到報告整理，都讓人有天下精銳盡出之感。

超喜歡這樣輕鬆又自在地研究問題的感覺，也希望這樣的心情可以延續下去。

By 陳哲聿

赴舊物館尋助教不遇

44

很多事情理論跟實際差很多，STM實驗就是一個很好的例子。書上提到 STM就

是拿針很靠近樣品，然後通電流就可以測量到了。可是事實上差很多！

針是第一個問題，如何做出一根很細很細的針？我直到做完實驗後才知道方法，

這點就算是當初 G. Binning也沒提到。原來步驟這麼是這麼的複雜，細節是這麼的多！

這種技術層面的東西才是掌握實驗成敗的關鍵。很多實驗室的參數都不能外傳，不然

別的實驗室看到後就成長的很快，這樣子的競爭對科技進步沒有什麼貢獻，使得每間

實驗室擁兵自重，達不到團結辦事，解決不了真正的問題。我時常看到實驗室對外發

表成果，但是不常看到學校集合所有實驗室發表共同成果，希望以後大家都在願意犧

牲部分自我的情況下為更重要的事努力，完成更有意義的任務。

掃瞄是第二個問題，STM 掃瞄器擺在我們面前，助教把方法告訴我們，還示範

一次，可是我們還是做得很慢，不小心失誤一次。橘燈，橘燈，橘燈……綠燈！當綠

燈亮起來的時候，我心中也亮了綠燈！我們這次做實驗只掃瞄石墨，助教說其它的材

料都壞了，真可惜我們這次沒機會看其它材料的表面。希望以後近物實驗的經費能增

加，好讓學弟學妹有機會看到更棒的東西。

其實有一個很容易做到又很有趣的 STM實驗：觀察 CD表面。因為 CD在記錄

時被刻出 0101的 bit pattern，所以我們可以用 STM觀察到表面變化，如果能抓的注

第一個 bit的位置以及編碼方式，我們甚至可以當一下辛苦的電腦，跟著軌跡讀 bit。

我把我想要看但卻沒看到的材料表面結果放在下圖，就當做我曾經看過吧！

金 CD 鈮超導體上的三個鎵原子 銅

助教非常盡責，不但帶著我們做實驗，還一步一步問我們問題。奇怪的是，助教

問的問題聽起來都很簡單，但想一想就發現不是這麼一回事。它們不是腦筋急轉彎，

而是更深層的物理，有些要看了論文才知道。我覺得我該多多看其它物理書，像是電

動力學。我很欣賞助教的待人方式，以後我若有機會當助教，我也要像他一樣。

我覺得影像的 resolution還不夠好，分的層次太少。也許是偵測電流的 ADC電路

沒有設計到這麼多檔位，也許 ADC電路已經做得很細，但是軔體部分沒接受這麼多

值。如果我有機會、有能力打開 STM掃瞄器，我希望能透過解決上述問題的方法增

加 resolution，使看到的影像更立體，增加效果，說不定對研究有幫助！

STM是日後科學研究的重要工具，很慶幸有機會做到這個實驗，這樣以後使用

它時就不陌生了。最後非常感謝三位同學的幫忙，好久沒有大家一起做實驗的感覺囉。

By 羅弘益

45

ⅦⅦⅦⅦ....參考資料參考資料參考資料參考資料

[1] Gerd Binnig and Heinrich Rohrer, “Scanning tunneling microscopy-from birth to

adolescence”, Reviews of Modern Physics, Vol. 59, No. 3, Part I, July 1987.

[2] P. A. Tipler and R. A. Llewellyn, Modern Physics, 4th Ed.

[3] 果尚志, “奈米世界的全方位性工具”, 物理雙月刊, 廿三卷六期, 2001年 12月

[4] http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/stm.htm

[5] Dunlop, D., “Scanning tunneling microscopy of DNA,” Engineering in Medicine and

Biology Magazine, IEEE, Volume 15, Issue 1, Page(s):46–50, Jan.-Feb. 1996.

[6] Fu-Ren F. Fan and Allen J. Bard, “Imaging of biological macromolecules on mica in

humid air by scanning electrochemical microscopy,” PNAS, vol. 96, no. 25, Page(s):

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[7] Davis, J.J., Morgan, D.A., Wrathmell, C.L., Zhao, A.”Scanning probe technology in

metalloprotein and biomolecular electronics,” Proceedings of IEE Nanobiotechnology,

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[8] Vladimir BulovicSeth Coe, Conor Madigan, Debbie Mascaro, “Organic Materials in

Optoelectronic Applications: Physical Processes and Active Devices,” research of

laboratory at MIT, 2001.

[9] Hanel, K., Ruppel, L., Witte, G., Birkner, A., Woll, C., “STM assisted in-situ

spectroscopy on nano-sized crystallites of organic semiconductors,” 4th IEEE Conference

on Nanotechnology, 2004, Page(s):509–511, 16-19 Aug. 2004.

[10] Hamanaka, H., On, T.; Esashi, E., “Self-supported Si fabrication of with STM

nano-structure,” Tenth Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical

Systems, 1997, Proceedings, IEEE., Page(s):153-158, 26-30 Jan. 1997.

[11] 羅榮立, “矽表面吸附粒子的辨識”, 物理雙月刊, 廿五卷五期

[12] http://www.spmtips.com/products/hopg/

46

ⅧⅧⅧⅧ....附錄附錄附錄附錄

（（（（1））））HOPG

Highly Ordered Pyrolytic Graphite From the viewpoint of crystallography, graphite belongs to lamellar materials and consists of identical staked planes (Fig. 1.). Carbon atoms within a single plane interact much stronger than with those from adjacent planes. That explains lamellar behavior of graphite. Each atom within a single plane has three nearest neighbours. Network of carbon atoms connected by shortest bonds looks like honeycomb. This two-dimensional and single-atom thick plane is called "graphene".

Fig. 1. Positional relationship between two identical graphene planes A and B. Graphite structure can be described as an alternite succession of these planes ...ABABAB...

"Usual" graphite, especially natural one, exhibits quite imperfect structure due to plenty of defects and inclusions. A number of technologies are developed for preparation of perfect graphite samples to take advantage of its unique structure. Of these, pyrolysis of organic compounds is the most common and effective. Some physical properties of graphite are listed below:

Density: 2,266 g/cm3 Thermal conductivities: along C axis (0001): 8±2 Watt/mK along surface plane: 1800±200 Watt/mK

HOPG as a perfect substrate for Scanning Probe Microscopy HOPG terminated with graphene layer can serve as an ideal atomically flat surface to be used as a substrate or standard for SPM investigations (Fig. 2).

47

Fig. 2. Typical STM image of HOPG surface. Corresponding fragment of graphene structure is superimposed.

HOPG grades To characterize perfectness of HOPG, "mosaic spread" term is used. The term originates from X-ray crystallography. Actually, HOPG specimens are polycrystals. Each bulk polycrystal looks like mosaic of microscopic monocrystal grains slightly disoriented with respect to each other. This disordering is responsible for diffracted peak width: the more disordering, the wider the peak. Therefore, perfectness of HOPG can be easily related to a full width of the Cu-Kα radiation peak at half maximum (FWHM) measured in degrees.

There are several grades of HOPG. We use notations developed by Advanced Ceramics Corporation, the leading company in HOPG production.

ZYA Grades: 0.4°±0.1° Mosaic Spread. This is the most perfect HOPG, lateral grain size is typically up to about 10 µm. Thus, it is the best "cleavable" material exhibiting the smoothest surface that is needed for crucial SPM measurements.

ZYB Grades: 0.8°±0.2° Mosaic Spread. Slightly less highly ordered. The lateral grain size is up to 1 µm.

ZYH Grades: 3.5°±1.5° Mosaic Spread. It has a grain size in the range of 30-40 nm.

48

（（（（2））））實驗實驗實驗實驗 Part2 掃描結果掃描結果掃描結果掃描結果

1. Tip1

49

50

2. Tip2（（（（撞針撞針撞針撞針））））

3. Tip3

<200nm>

51

<100nm>

52

53

54

55

56

57

4. Tip5（（（（爛針對照組爛針對照組爛針對照組爛針對照組））））

58

5. Tip7（（（（最佳最佳最佳最佳））））

<200nm>

59

<50nm>

60

<25nm>

61

<12.5nm>

62

<6.25nm>

63

<3.13nm>

<0.783nm>

64