扫描穿隧式显微镜试验experimentswithscanningtunneling.pdf

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扫描穿隧式显微镜试验experimentswithscanningtunneling

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 Nanovie STM Educa 1/15 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: h p λ 2 p E 2m −34 × 6.63h ⋅ 10 J S 其中 h 為浦朗克常數(Plancks constant, ) ,m 為微小粒子之質量。 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: h2 2 ∂

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