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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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