掃描探針顯微術的原理及應用 - 中研院物理研究所- Academia Sinica

掃 描 探 針
顯 微 術 專 題
掃 描 探 針 顯 微 術 的 原 理 及 應 用
Scanning Probe Microscopy: Principles and
Applications
黃 英 碩
Ing-Shouh Hwang
1980 年 代 初 期 發 明 出 來 的 掃 描 穿 隧 顯 微 術 , 以 及 日 後 陸 續 發 展 出 來 的 其 他 掃 描 探 針 顯 微 術
(SPM), 提 供 科 學 家 一 個 嶄 新 的 能 力 去 觀 察 、 量 測 、 甚 至 操 控 奈 米 級 的 世 界 。SPM 有 一 獨 特
的 優 點 是 , 藉 由 選 取 適 當 的 探 針 , 可 探 討 物 質 表 面 上 奈 米 等 級 的 物 理 及 化 學 性 質 , 目 前 已 有
數 十 種 不 同 的 SPM 技 術 , 而 且 新 的 技 術 仍 不 斷 開 發 中 。 此 外 , 有 些 原 本 為 SPM 而 發 展 出 來
的 技 術 , 已 有 部 分 應 用 到 其 他 用 途 上 , 例 如 高 密 度 儲 存 元 件 及 高 靈 敏 度 生 化 分 子 檢 測 。 因
此 , 可 以 預 見 SPM 對 奈 米 科 技 將 有 重 大 的 衝 擊 。
The invention of scanning tunneling microscopy in early 1980’s and the subsequent development of
other scanning probe microscopies (SPMs) have provided scientists unprecedented capability to
image, to measure, and to manipulate the nano-world. One unique advantage of SPMs is that
different physical and chemical properties on surfaces can be studied at the nanometer scale by the
appropriate choice of probe tips. Currently there are tens of different SPMs, and many other new
probe technologies are under development. Besides, several technologies that were originally
developed for SPMs have been found to be very useful for other applications, such as high-density
storage drives and high-sensitivity bio-and-chemical sensors. Therefore, it can be expected that
SPMs will have great impact on the nanoscience research and nanotechnology.
一 、 前 言
奈 米 結 構 及 材 料 有 幾 個 特 色 :(1) 尺 寸 很 小 :
一 般 儀 器 很 難 觀 測 得 到 , 僅 有 少 數 幾 項 先 進 顯 微 術
達 到 足 夠 解 析 力 。(2) 獨 特 的 物 理 、 化 學 性 質 : 奈
米 結 構 的 性 質 與 大 尺 寸 材 料 不 同 , 而 且 不 同 尺 寸 有
不 同 的 特 性 。(3) 奈 米 級 結 構 有 很 強 的 表 面 效 應 ( 註
1), 尺 寸 越 小 , 在 表 面 或 靠 近 表 面 的 原 子 佔 總 原 子
數 的 比 例 越 大 。 因 此 , 如 何 觀 察 到 單 一 奈 米 結 構 ,
並 對 單 一 奈 米 結 構 作 物 性 、 化 性 的 量 測 , 甚 至 觀 察
到 奈 米 材 料 的 表 面 原 子 結 構 , 是 研 究 奈 米 科 技 一 項
相 當 關 鍵 且 極 具 挑 戰 的 工 作 。
掃 描 探 針 顯 微 術 (scanning probe microscopy,
SPM) 的 誕 生 似 乎 是 因 應 上 述 奈 米 科 技 的 挑 戰 。
SPM 包 含 一 系 列 相 關 科 技 , 而 掃 描 穿 隧 顯 微 術
(scanning tunneling microscopy, STM) 是 其 中 最 早 發
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7

(1,2)
展 出 來 的 技 術 , 它 在 導 電 材 料 的 表 面 可 達 原 子 解
析 ; 後 來 , 又 衍 生 出 原 子 力 顯 微 術 (atomic force
microscopy, AFM) (3) , 可 對 導 體 及 非 導 體 表 面 作 奈
米 級 成 像 , 用 途 更 廣 泛 。 其 他 SPM 技 術 絕 大 部 分
是 以 AFM 為 基 礎 , 如 : 磁 力 顯 微 術 (magnetic force
microscopy, MFM) (4) 及 近 場 光 學 顯 微 術 (near-field
scanning optical microscopy, NSOM 或 SNOM) (5) 等 。
且 SPM 仍 不 斷 在 演 進 , 陸 續 有 新 技 術 加 入 其 中 。
這 些 技 術 的 共 同 特 點 都 是 以 一 支 末 端 極 尖 的 探 針 在
很 接 近 表 面 的 情 況 下 進 行 掃 描 及 局 部 量 測 ( 圖 1),
解 析 度 主 要 視 探 針 而 定 , 最 佳 情 形 可 以 達 到 原 子 解
析 。 不 同 顯 微 術 的 差 異 在 於 探 針 的 結 構 不 同 、 量 測
的 物 理 量 不 同 以 及 量 測 的 技 術 不 同 , 這 些 物 理 量 包
括 電 流 、 電 阻 、 電 荷 、 原 子 力 、 靜 電 力 、 磁 力 、 磁
場 、 溫 度 、 光 學 性 質 、 共 振 頻 率 等 。 我 們 可 選 取 適
當 探 針 做 不 同 特 性 的 奈 米 級 量 測 , 這 是 SPM 與 其
他 奈 米 級 顯 微 術 相 較 , 最 獨 特 的 一 項 優 點 。
SPM 無 疑 是 奈 米 科 技 的 一 項 明 星 技 術 , 它 最
初 只 是 少 數 物 理 實 驗 室 中 的 特 殊 儀 器 , 現 今 已 被 應
用 到 材 料 、 電 機 、 機 械 、 化 工 、 生 物 及 醫 學 等 不 同
領 域 , 不 僅 是 實 驗 室 中 的 一 項 利 器 , 更 進 入 產 業 界
的 研 發 、 檢 測 , 甚 至 生 產 線 上 。 當 今 產 業 技 術 , 如
積 體 電 路 (IC), 有 短 小 輕 薄 的 趨 勢 , 產 業 界 也 逐 漸
發 現 SPM 在 製 造 、 研 發 及 偵 錯 等 的 重 要 性 。 不 過
這 還 只 是 起 步 而 已 ,SPM 應 用 到 各 領 域 也 不 過 是
近 十 年 不 到 的 光 景 , 大 部 分 實 驗 室 及 產 業 界 對 此 技
術 仍 陌 生 , 尤 其 不 斷 有 新 的 SPM 技 術 加 入 , 因
圖 1. SPM 結 構 簡 圖 。
此 ,SPM 的 未 來 發 展 空 間 仍 然 很 大 。SPM 其 實 是
一 重 要 核 心 技 術 , 除 了 奈 米 級 成 像 及 量 測 外 , 它 也
(6)
可 應 用 到 奈 米 級 記 憶 體 , 奈 米 級 結 構 或 元 件 的 製
(7)
作 。 最 近 還 有 另 一 新 趨 勢 , 就 是 高 靈 敏 度 化 學 分
(8-11)
子 及 生 物 分 子 的 檢 測 ,AFM 中 的 探 針 懸 臂 是 利
用 微 機 電 (micro-electro-mechanical system, MEMS)
技 術 製 作 , 可 以 做 到 非 常 小 , 它 的 偏 移 及 振 動 的 量
測 技 術 在 AFM 發 展 過 程 中 已 開 發 出 來 , 正 可 用 來
作 微 量 分 子 或 極 小 重 量 的 量 測 , 目 前 已 有 報 導 可 量
測 到 10 –15 (9,10)
克 , 預 見 不 久 的 將 來 , 靈 敏 度 會 再 大
幅 提 高 , 若 結 合 生 化 科 技 , 未 來 龐 大 商 機 將 是 指 日
可 待 。
二 、 掃 描 探 針 顯 微 術 的 工 作 原 理
SPM 的 操 作 是 利 用 一 支 相 當 尖 的 探 針 在 極 接 近
待 測 物 表 面 上 做 掃 描 ( 圖 1), 方 式 極 像 盲 人 以 杖 探
索 前 面 的 路 面 高 低 及 障 礙 。 在 一 般 成 像 模 式 , 探 針
掃 描 過 程 中 會 一 直 跟 表 面 保 持 一 個 很 小 的 固 定 距
離 , 因 此 探 針 的 高 度 會 隨 表 面 的 高 低 起 伏 而 變 動 。
至 於 探 針 如 何 保 持 一 固 定 距 離 而 不 至 於 撞 擊 到 表
面 ? 這 是 因 為 有 一 回 饋 (feedback) 系 統 隨 時 在 運
作 , 此 回 饋 系 統 主 要 在 維 持 探 針 與 表 面 之 間 的 某 一
交 互 作 用 為 一 定 值 。 此 交 互 作 用 可 以 是 穿 隧 電 流 、
針 尖 與 樣 品 表 面 原 子 間 的 作 用 力 或 其 他 交 互 作 用 ,
其 通 常 對 距 離 非 常 敏 感 , 只 要 距 離 有 小 小 變 動 就 會
造 成 交 互 作 用 的 值 有 極 劇 烈 的 變 化 , 如 此 , 探 針 的
高 度 就 可 以 保 持 固 定 。 回 饋 系 統 中 所 控 制 的 探 針 高
度 , 可 以 用 來 作 為 表 面 高 低 的 形 貌 成 像
(topograph)。 同 時 , 探 針 所 量 測 到 的 其 他 物 理 量
( 如 溫 度 、 光 學 訊 號 、 相 位 、 電 容 、 介 電 常 數 等 ) 也
可 用 來 成 像 , 這 些 同 時 取 得 的 不 同 特 性 的 影 像 , 提
供 樣 品 表 面 很 多 重 要 訊 息 及 特 性 分 析 。 影 像 的 空 間
解 析 度 主 要 是 由 探 針 末 端 的 粗 細 、 交 互 作 用 的 特
性 、 表 面 的 特 性 及 操 作 的 環 境 所 決 定 。 一 般 而 言 ,
探 針 末 端 越 小 、 交 互 作 用 對 距 離 的 變 化 越 敏 感 、 表
面 越 平 坦 , 解 析 度 越 佳 ; 在 真 空 環 境 中 的 表 面 , 沒
有 空 氣 分 子 及 水 膜 的 影 響 , 比 在 一 般 大 氣 中 來 得 乾
淨 很 多 , 因 此 解 析 度 通 常 也 較 好 。
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SPM 除 了 上 述 的 成 像 , 還 可 把 探 針 移 到 某 一
點 作 特 性 的 量 測 (spectroscopy) 或 某 些 操 控
(manipulations)。 當 探 針 移 到 某 待 測 位 置 後 , 可 以
關 掉 回 饋 電 路 , 固 定 Z 軸 高 度 做 量 測 ( 如 電 流 對 電
壓 曲 線 ), 或 改 變 探 針 Z 軸 高 度 作 特 性 對 高 度 的 變
化 曲 線 量 測 , 或 定 點 施 加 一 短 電 壓 脈 衝 於 探 針 以 局
部 改 變 表 面 形 貌 。 這 些 較 複 雜 的 量 測 及 操 控 是
SPM 對 奈 米 研 究 一 項 很 重 要 的 功 能 。 有 人 用 此 方
式 在 不 同 單 壁 奈 米 碳 管 (single-walled carbon
(12)
nanotubes) 上 量 測 其 電 子 特 性 , 得 知 其 為 金 屬 性
或 半 導 體 性 ; 若 為 半 導 體 性 , 能 隙 (energy gap) 的
大 小 也 可 量 測 出 來 。 另 有 人 研 究 某 些 缺 陷 或 雜 質 原
子 附 近 所 產 生 局 部 的 原 子 或 電 子 的 效 應 , 及 該 效 應
(13)
與 缺 陷 距 離 的 關 係 。 也 有 人 利 用 探 針 在 待 測 物 表
面 不 同 區 域 測 量 機 械 特 性 , 甚 至 利 用 探 針 對 DNA
(14,15)
或 蛋 白 質 分 子 作 拉 伸 測 量 , 以 得 知 這 些 生 物 分
子 的 機 械 特 性 及 折 疊 (folding) 的 鍵 結 力 。 類 似 實 驗
不 勝 枚 舉 , 提 供 奈 米 級 結 構 不 同 特 性 的 重 要 訊 息 ,
這 些 是 目 前 其 他 技 術 所 難 以 望 其 項 背 的 。
SPM 探 針 需 要 作 極 精 準 的 三 維 定 位 , 這 部 分
主 要 是 仰 賴 壓 電 陶 瓷 , 壓 電 材 料 (piezoelectric
materials) 在 被 施 加 一 電 壓 後 , 其 長 度 ( 及 厚 度 ) 會
產 生 變 化 , 雖 然 總 形 變 量 不 大 , 但 正 好 可 用 在 精 準
的 探 針 定 位 , 如 果 電 壓 的 訊 號 穩 定 , 不 難 達 到 0.1
nm 甚 至 更 高 的 精 準 度 。 控 制 X、Y 二 軸 , 可 以 驅
動 探 針 在 表 面 做 二 維 的 掃 描 ,Z 軸 由 回 饋 電 路 控
制 , 以 保 持 固 定 的 交 互 作 用 , 也 因 此 維 持 探 針 在 樣
品 表 面 上 方 固 定 的 距 離 ,Z 軸 的 高 度 值 可 被 電 腦 讀
取 , 在 電 腦 螢 幕 上 適 當 X、Y 位 置 , 以 灰 階 影 像 呈
現 , 通 常 越 亮 代 表 Z 軸 高 度 越 高 , 較 暗 則 表 示 較
低 。 為 了 視 覺 的 美 觀 ,SPM 影 像 常 經 過 軟 體 處 理
成 彩 色 灰 階 , 甚 至 有 時 以 3D 立 體 呈 現 , 這 種 即 是
所 謂 的 的 表 面 形 貌 影 像 。 但 樣 品 表 面 常 有 不 同 材 料
結 構 的 區 域 , 其 與 探 針 的 交 互 作 用 也 不 同 , 因 此 即
使 高 度 相 同 , 也 可 能 產 生 不 同 的 亮 度 對 比 , 會 與 真
正 高 度 訊 號 混 雜 在 一 起 , 造 成 形 貌 影 像 詮 釋 上 的 困
難 。 幸 而 其 他 探 針 與 樣 品 的 交 互 作 用 也 可 作 特 性 成
像 , 這 些 特 性 影 像 因 不 具 高 度 訊 息 , 提 供 同 一 掃 描
區 域 不 同 的 對 比 , 可 與 表 面 形 貌 影 像 形 成 互 補 。
1. 掃 描 穿 隧 顯 微 術
STM 是 SPM 中 最 早 、 也 是 最 簡 單 的 一 項 技
術 , 它 是 於 1980 年 代 初 期 瑞 士 的 IBM 實 驗 室 所 發
展 出 來 ,1986 年 發 明 者 Binnig 與 Rohrer 即 獲 諾 貝
爾 物 理 獎 的 桂 冠 , 顯 然 當 時 已 預 知 此 發 明 將 對 人 類
科 技 起 革 命 性 的 影 響 。 至 今 回 顧 ,STM 確 實 帶 起
整 個 SPM 的 技 術 , 而 且 STM 本 身 也 創 造 出 許 多 令
人 津 津 樂 道 的 重 大 突 破 , 讓 科 學 家 探 索 到 原 子 、 分
子 層 級 很 多 基 本 現 象 , 重 新 檢 視 過 去 所 知 的 物 理 原
理 , 完 成 很 多 開 創 性 的 研 究 工 作 , 因 此 在 知 名 科 學
雜 誌 如 Nature 或 Science 及 頂 尖 期 刊 如 Physical
Review Letters、Nano Letters 等 , 常 可 看 到 STM 所
產 生 的 研 究 成 果 。 無 疑 地 , 它 是 很 多 頂 尖 物 理 學 家
探 索 人 類 最 前 端 知 識 的 一 項 利 器 。
STM 所 採 用 的 探 針 是 極 尖 的 金 屬 針 ( 通 常 為 鎢
針 ), 末 端 只 有 數 顆 原 子 大 小 , 有 時 僅 有 一 顆 原
子 , 探 針 利 用 的 交 互 作 用 是 針 尖 與 樣 品 表 面 之 間 的
穿 隧 電 流 (tunneling current)。 在 古 典 力 學 中 , 一 個
處 於 位 能 較 低 的 粒 子 根 本 不 可 能 躍 過 能 量 障 礙 V 0
到 達 另 一 邊 , 除 非 粒 子 的 動 能 超 過 V 0 ( 如 圖 2(a))。
但 以 量 子 物 理 的 觀 點 來 看 , 卻 有 此 可 能 性 , 所 謂 的
穿 隧 效 應 (tunneling effect) 就 是 指 粒 子 可 穿 過 比
本 身 總 能 高 的 能 量 障 礙 ; 當 然 , 穿 隧 的 機 率 和 距 離
有 關 , 距 離 愈 近 , 穿 隧 的 機 率 愈 大 。 依 據 量 子 力 學
(quantum mechanics), 電 子 的 分 布 是 以 波 函 數 來 描
述 ( 圖 2(b)), 當 位 能 障 礙 高 於 電 子 的 動 能 時 , 波 函
數 不 會 立 即 變 成 零 , 而 是 以 一 指 數 函 數 衰 減 , 若 位
能 障 礙 的 寬 度 d 太 大 , 電 子 穿 過 機 率 幾 乎 為 零 , 但
當 d 小 於 約 2 nm, 此 電 子 波 函 數 不 會 衰 減 到 零 ,
於 是 有 機 會 穿 隧 過 去 , 而 且 其 機 率 是 以 接 近 指 數 函
數 方 式 隨 d 減 小 而 快 速 上 升 。
如 果 我 們 讓 針 尖 帶 近 可 導 電 的 樣 品 , 並 在 針 尖
與 樣 品 之 間 , 施 加 一 電 壓 ( 我 們 稱 之 為 偏 壓 」),
電 子 便 能 從 針 尖 穿 隧 至 樣 品 或 由 樣 品 至 針 尖 , 此 為
穿 隧 電 流 。 通 常 針 尖 與 樣 品 相 距 約 10 埃 (1 埃 = 1
Å = 0.1 nm = 10 –10 m), 穿 隧 電 流 約 為 10 pA 至 數 十
nA (1 pA = 10 –12 A = 10 –3 nA), 偏 壓 為 1 毫 伏 (mV)
至 3 伏 特 (V)。 一 般 而 言 , 對 金 屬 樣 品 所 使 用 的 穿
隧 電 流 較 大 , 偏 壓 較 低 ; 而 半 導 體 的 穿 隧 電 流 較
小 , 偏 壓 較 高 。
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(2)
穿 隧 電 流 的 大 小 , 可 大 致 寫 成 下 列 數 學 式 :
V
It @ Ê ˆ
/
exp( -AF 12
d)
Ë d ¯
I t 為 穿 隧 電 流 ;V 為 偏 壓 ;
A = 1.025 (eV) –1/2 Å –1 ;
d 為 針 尖 與 樣 品 之 間 的 距 離 ;
F 為 等 效 位 能 障 礙 。
由 於 穿 隧 電 流 I t 與 距 離 d 大 致 呈 指 數 關 係 ( 圖
2(c)),d 每 減 少 1 埃 ,I t 就 會 增 加 約 10 倍 ;d 每 減
少 2 埃 ,I t 會 增 加 約 100 倍 。 利 用 這 種 I t 對 d 的 高
靈 敏 度 製 造 一 個 回 饋 電 路 , 只 要 I t 一 有 變 動 , 馬 上
調 整 針 的 高 度 , 使 I t 保 持 固 定 , 看 起 來 像 固 定 高 度
浮 在 樣 品 表 面 上 , 如 此 一 來 , 針 尖 的 上 上 下
下 , 相 當 於 物 質 表 面 的 高 低 起 伏 ( 見 圖 3)。 來 回 掃
描 的 訊 號 , 經 過 電 腦 處 理 就 形 成 了 樣 品 表 面 的 高 低
形 貌 影 像 , 且 高 度 可 精 準 到 0.1 埃 以 上 ; 水 平 方 向
的 解 析 度 則 受 限 於 針 尖 的 大 小 , 最 佳 時 約 1-2
埃 。 在 平 坦 的 表 面 ,STM 很 容 易 取 得 表 面 原 子 解
析 的 影 像 。
STM 的 結 構 簡 圖 如 圖 4, 針 與 樣 品 間 的 微 小
穿 隧 電 流 需 先 經 過 電 流 前 級 放 大 器 (current pre-
amplifier) 後 , 再 進 入 回 饋 電 路 。 回 饋 電 路 中 可 設
定 穿 隧 電 流 的 大 小 ( 相 當 於 設 定 針 跟 樣 品 間 的 距
離 ), 並 同 時 送 出 高 壓 給 Z 軸 壓 電 陶 瓷 以 維 持 固 定
的 穿 隧 電 流 值 ,X、Y 掃 描 電 路 也 會 送 出 適 當 高 壓
訊 號 給 X、Y 軸 壓 電 陶 瓷 , 以 使 針 在 水 平 方 向 掃
描 。 另 外 , 回 饋 電 路 也 會 將 針 的 高 度 訊 號 送 給 電 腦
讀 取 成 像 。
STM 除 了 可 以 取 得 表 面 的 形 貌 影 像 , 也 可 用
來 探 測 表 面 電 子 能 態 分 布 (electronic density of state)
及 電 子 結 構 。 當 探 針 相 對 於 樣 品 是 負 偏 壓 時 , 電 子
從 針 尖 穿 隧 到 樣 品 表 面 的 未 填 滿 能 階 (unoccupied
state), 故 改 變 偏 壓 值 同 時 量 測 穿 隧 電 流 可 以 給 我
們 未 填 滿 能 階 的 密 度 分 布 。 同 樣 地 , 當 探 針 相 對 於
樣 品 是 正 偏 壓 時 , 電 子 由 樣 品 表 面 穿 隧 至 針 尖 , 改
變 偏 壓 同 時 量 測 穿 隧 電 流 可 以 給 我 們 樣 品 表 面 填 滿
能 階 (occupied state) 的 密 度 分 布 。 因 此 ,STM 有
一 些 特 殊 模 式 可 以 探 索 表 面 的 電 子 特 性 , 最 簡 單 常
用 的 模 式 是 在 有 興 趣 的 任 何 一 點 取 得 穿 隧 電 流 對
偏 壓 的 曲 線 (I-V curve)。 樣 品 表 面 上 不 同 的 原
子 、 分 子 , 或 相 同 原 子 、 分 子 但 不 同 的 鍵 結 位 置 都
會 有 不 同 的 電 子 能 態 分 布 ; 也 有 人 用 STM 探 究 超
導 材 料 在 低 溫 超 導 狀 態 時 電 子 能 態 所 形 成 的 能 隙 等
問 題 。I-V 曲 線 可 以 用 來 研 究 物 質 表 面 上 奈 米 結 構
(a)
E k < V 0
O
V 0
(b)
Sample
f
E
Vacuum level
Tip
d
E F
圖 2.
(a) 粒 子 的 動 能 E k 與 能
量 障 礙 V 0 。 (b) 電 子 的
穿 隧 效 應 。(c) 穿 隧 電 流
I t 與 距 離 d 的 關 係 圖 ,d
的 變 動 很 小 , 相 對 應 的
I t 變 動 卻 很 大 , 因 此 回
饋 電 路 可 以 輕 易 保 持 固
定 的 d。
(c)
eV
I t
I t1
I t0
d 1 d 0
d
z = 0
z = d
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Tip
Sample
S
S
Constant Current Mode
圖 3. 針 尖 固 定 高 度 地 浮 在 表 面 上 掃 描 , 而 描
繪 出 表 面 的 高 低 起 伏 。
的 電 子 能 態 分 布 , 例 如 , 有 人 在 不 同 單 壁 奈 米 碳 管
上 量 測 其 電 子 特 性 , 或 在 不 同 奈 米 矽 線 上 量 測 其 能
隙 與 矽 線 直 徑 的 關 係 。
1990 年 美 國 IBM 的 一 群 研 究 人 員 , 首 度 用
STM 的 探 針 將 一 顆 顆 氙 原 子 在 鎳 表 面 上 拖 曳 , 逐
(16)
顆 原 子 排 成 IBM 三 個 英 文 字 母 , 相 當 引 人 注
目 , 被 當 時 世 界 各 國 媒 體 爭 相 報 導 。 後 來 , 同 一 個
實 驗 室 又 在 銅 表 面 將 一 顆 顆 鐵 原 子 移 動 排 成 一 圓 圈
(17)
(18)
及 一 橢 圓 , 銅 (111) 的 表 面 價 電 子 在 鐵 原 子 圍
成 的 區 域 內 形 成 電 子 密 度 的 駐 波 。 此 結 果 也 成 為 雜
誌 及 國 際 研 討 會 的 封 面 圖 案 , 甚 至 成 為 物 理 化 學 教
科 書 中 的 教 材 , 這 是 人 類 科 技 文 明 史 上 , 首 度 展 示
操 縱 單 一 原 子 的 能 力 。
STM 也 可 以 協 助 我 們 從 原 子 分 子 層 級 來 瞭 解
表 面 動 態 行 為 , 連 續 取 得 的 STM 影 像 可 以 告 訴 我
們 原 子 、 分 子 如 何 在 表 面 運 動 、 排 列 、 堆 積 或 進 行
化 學 反 應 等 。 如 今 科 學 家 已 能 在 成 長 新 材 料 或 進 行
化 學 反 應 的 同 時 , 用 STM 觀 察 表 面 的 結 構 演 變 ,
或 觀 察 化 學 反 應 如 何 進 行 , 以 瞭 解 化 學 反 應 的 基 本
原 子 、 分 子 運 動 途 徑 , 並 決 定 這 些 基 本 步 驟 的 活 化
(19-24)
能 ;STM 也 可 以 用 來 直 接 觀 察 相 變 化 的 進 行 ,
(20,25-27)
以 瞭 解 相 變 的 原 子 機 制 及 動 態 過 程 。
I
2. 原 子 力 顯 微 術
STM 操 作 簡 便 , 且 有 極 佳 的 空 間 解 析 度 , 但
它 只 能 適 用 於 可 導 電 的 材 料 , 如 金 屬 或 半 導 體 , 主
要 是 因 為 在 非 導 體 材 料 上 無 法 量 測 到 穿 隧 電 流 。 因
此 STM 發 明 後 不 久 ,Binnig 等 人 又 發 明 原 子 力 顯
(3)
微 術 , 此 技 術 所 利 用 的 是 探 針 在 靠 近 樣 品 表 面 時
會 感 受 到 原 子 力 , 其 來 自 探 針 末 端 原 子 與 表 面 原 子
間 的 交 互 作 用 力 , 隨 著 距 離 不 同 及 樣 品 、 探 針 的 不
同 , 原 子 力 的 大 小 及 方 向 ( 吸 引 力 或 斥 力 ) 會 有 所
變 化 。
(28)
原 子 力 可 以 細 分 成 幾 項 來 源 , 有 的 作 用 的 範
圍 較 遠 , 通 稱 為 長 程 力 (long-range forces), 長 程 力
牽 扯 到 的 原 子 數 目 也 較 多 。 相 對 而 言 , 短 程 力
(short-range forces) 作 用 範 圍 小 , 牽 扯 的 原 子 數
少 。 長 程 力 的 來 源 最 常 見 的 是 凡 得 瓦 爾 力 (Van der
Waals forces), 圖 5 是 一 典 型 針 尖 與 表 面 間 的 交 互
作 用 力 與 距 離 的 關 係 圖 , 主 要 是 依 據 凡 得 瓦 爾 力 。
長 程 力 還 包 括 靜 電 力 (electrostatic forces)、 靜 磁 力
(magnetic forces) 及 虹 吸 力 (capillary forces)。 前 兩
者 是 表 面 有 電 荷 累 積 或 磁 性 材 料 時 , 探 針 才 會 感 受
到 的 作 用 力 。 虹 吸 力 是 在 濕 度 高 的 情 況 , 材 料 表 面
常 覆 有 一 層 很 薄 的 水 膜 , 當 探 針 接 觸 到 水 膜 , 瞬 間
會 有 一 股 很 強 的 虹 吸 力 將 探 針 拉 到 接 觸 樣 品 表 面 ,
此 作 用 力 常 造 成 AFM 探 針 操 作 上 的 不 穩 , 因 此 原
子 力 顯 微 術 的 操 作 方 式 需 避 開 或 降 低 虹 吸 力 的 影
響 。 由 圖 5 可 知 當 探 針 距 樣 品 從 遠 到 近 時 , 先 是 吸
力 區 , 由 小 逐 漸 變 大 , 但 當 距 離 很 近 時 , 此 吸 引 力
圖 4. STM 架 構 簡 圖 。
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11

(tip-to-sample separation)
圖 5. AFM 探 尖 與 表 面 間 的 原 子 力 與 距 離 的 關 係
圖 。 註 : 這 是 依 據 Lennard-Jones potential,
即 U(r) = – A/r 6 + B/r 12 所 繪 , 實 際 情 況 會 更 複
雜 。 例 如 , 表 面 上 不 同 機 械 特 性 ( 如 軟 硬 度 )
的 區 域 會 有 不 一 樣 的 斥 力 區 曲 線 。
會 減 少 , 且 很 快 轉 變 成 斥 力 , 斥 力 隨 距 離 減 少 急 遽
上 升 , 斥 力 區 即 代 表 探 針 已 與 表 面 原 子 接 觸 到 , 所
以 交 互 作 用 轉 變 成 斥 力 。 斥 力 的 作 用 範 圍 極 短 , 在
不 到 1-2 Å 的 範 圍 內 , 會 有 急 遽 的 變 化 , 屬 於 短
程 力 , 它 的 值 對 距 離 的 變 化 , 彷 彿 STM 的 穿 隧 電
流 對 距 離 的 變 化 般 劇 烈 , 因 此 非 常 適 合 作 為 成 像 時
回 饋 電 路 的 輸 入 , 以 保 持 固 定 的 斥 力 進 行 掃 描 , 這
就 是 AFM 的 接 觸 式 (contact mode) 成 像 , 解 析 度
很 高 。 另 一 成 像 模 式 為 非 接 觸 式 (non-contact
mode), 於 吸 力 區 作 用 ( 見 圖 5), 因 吸 力 對 距 離 的
變 化 不 若 斥 力 敏 感 , 解 析 度 也 因 此 比 較 差 , 但 優 點
是 探 針 對 樣 品 幾 乎 沒 有 破 壞 性 。
探 針 與 樣 品 表 面 之 間 的 原 子 力 很 小 , 一 般 約
0.1-100 nN (1 nN = 10 –9 N = 10 –9 牛 頓 ),AFM 所 用
的 探 針 需 要 能 偵 測 到 如 此 微 小 的 作 用 力 , 目 前 一 般
是 以 微 機 電 的 製 程 製 作 有 懸 臂 (cantilever) 結 構 的
探 針 , 懸 臂 很 細 、 薄 , 探 針 感 受 到 的 吸 力 或 斥 力 會
造 成 探 針 位 置 的 偏 移 及 懸 臂 的 偏 折 ( 圖 6), 一 般 懸
臂 的 彈 性 係 數 k 約 為 0.1-1 N/m, 根 據 虎 克 定 律 F
= kDz, 如 果 我 們 能 偵 測 到 1 nm 以 下 的 探 針 偏 移 ,
就 可 偵 測 到 比 0.1-1 nN 更 小 的 力 。STM 的 高 度 解
析 度 比 0.1 nm 還 好 , 因 此 最 早 期 的 AFM 是 利 用
STM 作 探 針 偏 移 的 量 測 , 確 實 可 取 到 表 面 形 貌 影
像 , 但 操 作 上 常 出 現 不 穩 。 目 前 已 有 其 他 幾 種 方 式
可 以 穩 定 地 量 測 到 微 小 的 探 針 偏 移 , 其 中 光 偏 折
(beam deflection) 是 最 常 見 的 , 也 有 人 使 用 光 干 涉
(optical interferometry)、 壓 電 或 壓 阻 等 方 式 。
光 偏 折 是 利 用 一 雷 射 光 入 射 懸 臂 末 端 的 金 屬 反
射 面 , 當 懸 臂 因 探 針 與 表 面 的 交 互 作 用 力 而 產 生 偏
折 , 會 使 其 反 射 的 雷 射 光 角 度 產 生 變 化 ( 見 圖 6),
不 難 由 一 位 置 感 測 元 件 (position sensitive detector,
PSD) 量 出 此 探 針 位 置 的 偏 移 及 懸 臂 的 偏 折 。 在 接
觸 模 式 中 , 斥 力 會 造 成 反 射 的 雷 射 光 點 上 偏 , 偏 移
量 大 致 與 斥 力 大 小 成 正 比 ,PSD 量 測 到 的 偏 移 量
可 以 成 為 回 饋 電 路 的 輸 入 , 藉 維 持 固 定 偏 移 量 而 保
持 探 針 以 一 穩 定 的 斥 力 接 觸 表 面 。 由 於 斥 力 接 觸 有
可 能 破 壞 表 面 上 較 柔 弱 的 結 構 ( 如 生 物 分 子 ), 甚 至
掃 動 吸 附 力 不 強 的 奈 米 結 構 ( 如 奈 米 探 管 吸 附 到 石
墨 表 面 ), 因 此 斥 力 要 儘 可 能 小 , 所 採 用 的 懸 臂 的 k
值 也 要 小 。 但 在 吸 力 區 操 作 的 非 接 觸 模 式 ,k 值 就
不 能 太 小 , 主 要 是 因 表 面 上 的 水 膜 所 形 成 的 虹 吸 力
可 瞬 間 將 探 針 由 吸 力 區 帶 到 接 觸 表 面 (jump to
(No interaction)
(Attractive force)
(Repulsive force)
圖 6.
AFM 懸 臂 因 探 針 與 表 面 間 的
原 子 力 而 產 生 偏 折 , 會 使 其 反
射 的 雷 射 光 角 度 及 投 射 在 PSD
的 位 置 產 生 變 化 。
12 科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2

PSD
With attractive interaction
No interaction
A 0
A¢
A¢¢
Z
X
Y
w 0 ¢ w 0 w D
圖 7. AFM 架 構 簡 圖 。
contact), 造 成 操 作 的 不 穩 , 所 以 懸 臂 不 可 太 軟 。
另 外 , 懸 臂 必 須 以 振 盪 方 式 操 作 , 當 虹 吸 力 出 現
時 , 懸 臂 有 一 夠 強 的 回 復 力 能 與 其 抗 衡 。 非 接 觸 式
AFM 的 空 間 解 析 度 比 接 觸 式 差 很 多 , 因 此 另 一 種
介 於 兩 者 之 間 的 模 式 - 暫 接 觸 式 (semi-contact
mode) 或 輕 敲 模 式 (tapping mode) 更 常 被 使 用 , 它
類 似 非 接 觸 式 , 需 振 盪 探 針 懸 臂 , 但 當 探 針 振 盪 到
最 低 點 時 可 短 暫 地 與 表 面 接 觸 到 ( 操 作 範 圍 如 圖
5), 大 部 分 時 間 未 接 觸 到 樣 品 , 如 此 同 時 具 備 很 好
的 空 間 解 析 度 , 且 破 壞 力 很 小 。 圖 7 為 一 使 用 光 偏
折 ( 或 稱 光 槓 桿 ) 的 AFM 架 構 簡 圖 , 類 似 STM 的
架 構 , 只 是 使 用 的 探 針 不 同 及 量 測 的 物 理 量 不 同 。
懸 臂 的 振 盪 通 常 是 以 一 交 流 訊 號 驅 動 壓 電 片 ,
頻 率 選 在 懸 臂 的 共 振 頻 率 附 近 , 共 振 頻 率 則 由 懸 臂
的 三 維 尺 寸 、 形 狀 及 材 料 所 決 定 。AFM 在 取 影 像
之 前 , 應 先 掃 頻 以 尋 找 共 振 頻 率 , 及 振 幅 與 頻 率 的
關 係 , 如 圖 8 所 示 , 驅 動 訊 號 在 共 振 頻 率 w 0 時 ,
圖 8. 探 針 懸 臂 因 探 針 與 表 面 間 的 交 互 作 用 力 , 其
頻 率 - 振 幅 關 係 圖 的 變 化 。 如 果 是 吸 引 力 ,
共 振 頻 率 會 下 降 ; 但 若 主 要 是 斥 力 的 交 互 作
用 , 共 振 頻 率 會 上 升 。 此 關 係 圖 對 工 作 頻 率
的 選 取 十 分 重 要 。
振 幅 達 到 最 大 值 。AFM 的 工 作 頻 率 常 選 在 些 微 偏
離 共 振 頻 率 , 其 頻 率 為 w D , 當 探 針 遠 離 樣 品 ( 即 無
交 互 作 用 力 ) 時 , 振 幅 為 A¢, 但 當 探 針 因 接 近 表 面
而 感 受 到 吸 引 力 時 , 其 頻 率 - 振 幅 關 係 圖 也 會 改
變 , 如 圖 8 中 的 虛 線 曲 線 , 可 以 看 出 共 振 頻 率 因 吸
引 力 而 變 小 為 w 0 ¢, 而 在 工 作 頻 率 w D 的 振 幅 也 變
小 到 A¢¢, 因 此 可 以 用 此 振 幅 大 小 作 為 回 饋 電 路 輸
入 , 以 維 持 固 定 的 交 互 作 用 。 另 外 , 由 PSD 所 量
測 到 的 懸 臂 振 盪 與 驅 動 壓 電 片 的 交 流 訊 號 通 常 有 一
相 位 差 ( 圖 9), 此 相 位 差 會 因 表 面 上 不 同 材 質 的 區
域 而 不 同 ( 因 交 互 作 用 力 不 同 )。 因 此 在 取 表 面 形 貌
影 像 的 同 時 , 也 可 以 取 相 位 差 來 成 像 ( 圖 10), 此
相 位 差 影 像 (phase image) 常 呈 現 另 一 種 對 比 , 因
沒 有 高 度 的 訊 號 , 更 適 合 分 辨 出 不 同 材 質 的 部 分 。
PSD
圖 9.
暫 接 觸 式 或 輕 敲 模 式 AFM 的 示 意 圖 。
科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2
13

空 氣 中 操 作 的 AFM, 在 接 觸 式 操 作 下 可 達 到 最
佳 解 析 , 水 平 方 向 解 析 度 受 限 於 探 針 末 端 的 針 形 ,
所 以 很 難 低 於 1 nm。 有 廠 商 宣 稱 原 子 解 析 , 並 非
真 正 取 得 原 子 解 析 度 的 影 像 , 只 是 在 週 期 性 良 好 的
材 料 表 面 上 , 如 石 墨 (graphite) 或 雲 母 片 (mica),
取 得 規 則 、 週 期 性 的 表 面 原 子 起 伏 影 像 , 從 未 顯 現
出 單 一 缺 陷 ( 如 : 某 晶 格 位 置 少 了 一 顆 原 子 , 或 這
個 位 置 被 不 同 種 類 原 子 所 取 代 ) 或 無 週 期 性 的 原 子
影 像 。 嚴 格 而 言 , 不 能 算 是 達 到 原 子 解 析 。STM
的 影 像 則 是 達 到 真 正 的 原 子 解 析 ( 註 2)。 但 近 數 年
來 , 在 超 高 真 空 環 境 下 操 作 的 AFM 也 已 達 到 真 正
(29-31)
的 原 子 解 析 度 , 並 且 可 以 像 STM 一 般 做 搬 移
(32)
單 顆 原 子 的 實 驗 , 雖 然 操 作 上 的 難 度 比 STM 高
很 多 。 超 高 真 空 中 的 AFM 不 能 使 用 上 述 的 暫 接 觸
式 掃 描 , 這 是 因 為 在 真 空 中 懸 臂 振 盪 的 阻 尼 極 小
( 在 一 般 環 境 中 空 氣 及 水 膜 是 阻 尼 的 主 要 來 源 ) ( 註
3), 振 幅 對 頻 率 的 關 係 圖 中 , 頻 寬 Dw 極 窄 , 也 就
是 Q 值 (Q = w 0 /Dw) 極 高 。 此 時 探 針 與 表 面 原 子 的
交 互 作 用 力 會 產 生 共 振 頻 率 w 0 的 變 化 , 此 頻 率 的
變 化 dw 可 用 電 路 偵 測 到 並 作 為 回 饋 電 路 的 輸 入 ,
以 固 定 的 頻 率 差 來 取 得 表 面 的 形 貌 影 像 。 很 多 實 驗
已 顯 示 , 若 使 用 矽 做 的 探 針 , 探 針 末 端 單 顆 矽 原 子
與 表 面 單 顆 矽 原 子 的 化 學 鍵 結 力 , 可 以 產 生 不 小 的
共 振 頻 率 改 變 , 此 化 學 鍵 結 力 只 在 兩 顆 矽 原 子 靠 近
5 埃 以 內 才 會 作 用 , 約 在 2.3 埃 附 近 達 到 最 強 的 吸
引 力 , 它 也 是 一 種 短 程 力 , 因 此 以 其 產 生 的 頻 率 改
變 成 像 , 可 以 有 很 高 的 三 維 解 析 度 。 由 此 可 見 , 真
空 中 操 作 的 AFM 比 空 氣 中 操 作 的 AFM 有 更 佳 的
靈 敏 度 , 此 靈 敏 度 已 可 輕 易 地 偵 測 到 一 矽 原 子 與 另
一 矽 原 子 間 的 單 一 共 價 鍵 的 形 成 與 打 斷 , 這 也 暗 示
我 們 , 此 真 空 AFM 操 作 模 式 可 被 應 用 到 其 他 靈 敏
的 感 測 技 術 , 如 極 微 量 的 生 物 、 化 學 分 子 的 檢 測 。
最 近 就 有 文 獻 報 導 , 利 用 極 小 懸 臂 在 真 空 中 共 振 頻
(9,10)
率 的 改 變 , 可 偵 測 到 比 單 一 病 毒 更 小 的 質 量 。
AFM 的 應 用 範 圍 比 STM 大 很 多 , 從 材 料 到 電
機 、 機 械 、 化 學 、 化 工 、 生 物 , 甚 至 醫 學 領 域 的 奈
(7)
米 級 成 像 。AFM 也 可 應 用 到 奈 米 結 構 的 製 作 ,
解 析 度 可 以 超 過 電 子 束 蝕 刻 (E-beam lithography)。
但 有 人 質 疑 AFM 的 掃 描 速 度 不 夠 快 , 製 作 奈 米 結
構 費 時 , 以 致 無 經 濟 效 益 。 此 問 題 可 以 藉 由 微 機 電
Phase
圖 10. 暫 接 觸 式 或 輕 敲 模 式 AFM 的 相 位 差 成 像 。
技 術 製 作 探 針 陣 列 解 決 , 若 能 同 時 控 制 成 千 上 萬 的
探 針 進 行 奈 米 結 構 的 製 作 , 則 速 度 可 以 大 幅 提 高 ,
超 過 電 子 束 蝕 刻 技 術 , 但 這 方 面 的 未 來 發 展 仍 需 要
更 多 的 人 力 去 進 行 。 兩 年 前 IBM 就 發 表 以 AFM 的
探 針 陣 列 技 術 做 高 密 度 的 記 憶 體 元 件 , 同 時 有
(6)
1024 個 探 針 , 分 別 有 讀 、 寫 及 抹 除 的 功 能 。
3. 其 他 SPM 技 術
大 部 分 SPM 是 以 AFM 為 基 礎 , 僅 有 少 數 是
架 構 在 STM 上 。 這 些 SPM 利 用 AFM 的 技 術 來 控
制 回 饋 系 統 , 也 就 是 以 維 持 探 針 與 表 面 的 固 定 交 互
作 用 力 進 行 掃 描 , 得 到 表 面 形 貌 , 而 同 時 以 該 探 針
量 取 的 訊 號 作 功 能 性 的 成 像 。 例 如 , 近 場 光 學 顯 微
術 以 光 纖 製 作 探 針 , 一 方 面 可 作 AFM 成 像 , 另 一
方 面 可 用 光 纖 探 針 取 得 的 光 學 訊 號 成 像 。 現 今 近 場
光 學 顯 微 術 的 空 間 解 析 度 約 為 20 nm, 遠 高 於 傳 統
光 學 顯 微 鏡 , 接 近 電 子 顯 微 鏡 。 由 於 它 提 供 了 材 料
的 光 學 訊 息 , 所 以 十 分 適 合 探 討 光 電 元 件 或 奈 米 級
發 光 材 料 的 特 性 , 亦 可 應 用 在 生 物 樣 品 的 觀 察 。 磁
力 顯 微 術 所 用 的 探 針 與 AFM 探 針 相 似 , 只 是 針 尖
上 加 鍍 一 層 磁 性 薄 膜 , 於 是 在 磁 性 材 料 上 可 以 感 受
到 磁 力 , 磁 力 所 造 成 懸 臂 振 盪 的 振 幅 變 化 、 相 位 差
或 頻 率 改 變 都 可 以 用 來 成 像 。 由 於 當 探 針 與 表 面 距
離 在 數 十 nm 以 內 也 同 時 感 受 到 凡 得 瓦 爾 力 , 但 磁
力 比 凡 得 瓦 爾 力 作 用 的 距 離 更 遠 , 因 此 , 在 近 距 離
通 常 以 凡 得 瓦 爾 力 為 主 作 暫 接 觸 式 AFM 表 面 形 貌
成 像 , 然 後 再 將 探 針 後 縮 一 距 離 ( 如 50-100
nm), 此 時 凡 得 瓦 爾 力 已 衰 減 到 微 不 足 道 , 再 以 磁
力 成 像 , 它 可 觀 測 磁 性 材 料 上 細 微 的 磁 區 分 布 。 目
14 科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2

前 微 磁 學 也 是 一 門 重 要 的 研 究 領 域 ,MFM 已 成 為
(33)
此 領 域 的 重 要 儀 器 。 靜 電 力 顯 微 術 (electrostatic
force microscopy, EFM) 與 MFM 操 作 類 似 , 主 要 差
別 在 探 針 為 一 般 AFM 探 針 上 加 鍍 一 層 金 屬 膜 , 可
加 電 壓 到 此 金 屬 膜 , 當 樣 品 表 面 有 靜 電 荷 累 積 , 就
可 使 探 針 感 受 到 靜 電 力 , 而 以 其 造 成 的 振 幅 變 化 、
相 位 差 或 頻 率 改 變 成 像 。EFM 也 可 以 用 來 量 測 表
面 電 位 的 分 布 。
此 外 , 也 有 人 作 出 對 溫 度 有 靈 敏 反 應 的 探 針
( 如 熱 電 偶 結 構 ), 進 行 AFM 表 面 形 貌 成 像 同 時 ,
也 可 取 得 溫 度 的 分 布 影 像 , 此 種 SPM 稱 為 掃 描 溫
度 顯 微 術 (scanning thermal microscopy, SThM)。 類
似 的 SPM 仍 有 很 多 種 , 這 些 探 針 是 某 些 物 理 量 ,
如 電 荷 、 電 容 、 介 電 常 數 、 電 阻 等 , 或 化 學 量 的 感
應 器 , 搭 配 適 當 量 測 電 路 即 可 作 某 些 特 性 成 像 , 而
空 間 解 析 度 常 決 定 於 探 針 末 端 感 應 區 域 的 大 小 , 這
些 探 針 的 製 作 通 常 利 用 MEMS 技 術 就 可 達 成 , 因
此 SPM 技 術 不 斷 推 陳 出 新 。
4. 掃 描 探 針 顯 微 儀 、 光 學 顯 微 鏡 及 掃 描 電 子
顯 微 鏡 的 比 較
光 學 顯 微 鏡 及 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 是 目 前 最
普 遍 使 用 的 兩 項 顯 微 儀 器 。 表 1 列 出 它 們 與 SPM
的 比 較 , 很 明 顯 地 SPM 在 空 間 解 析 度 上 優 於 另 二
者 , 尤 其 是 z 方 向 , 電 子 顯 微 鏡 不 太 能 分 辨 20 nm
以 下 的 高 度 差 , 不 過 目 前 很 多 薄 膜 的 厚 度 在 20 nm
或 更 小 , 用 SPM 就 不 難 達 到 0.01 nm 的 解 析 度 。
再 者 , 放 入 電 子 顯 微 鏡 觀 察 之 前 , 非 金 屬 樣 品 需 事
先 處 理 , 但 有 些 樣 品 如 生 物 分 子 , 在 乾 燥 及 鍍 導 電
膜 等 程 序 處 理 過 後 , 往 往 與 原 始 狀 態 有 所 不 同 。 另
一 方 面 , 電 子 顯 微 鏡 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 。SPM 則 不
具 破 壞 性 , 樣 品 也 通 常 不 需 事 先 處 理 , 更 可 在 真
空 、 空 氣 、 水 溶 液 等 各 種 環 境 下 操 作 , 限 制 很 少 。
另 一 個 特 點 是 ,SPM 的 設 計 彈 性 比 電 子 顯 微 鏡 大
很 多 , 可 以 隨 環 境 、 用 途 、 空 間 做 不 同 的 設 計 , 並
與 不 同 儀 器 或 設 備 整 合 , 而 進 行 特 殊 的 量 測 。 當
然 ,SPM 也 有 些 缺 點 , 如 表 面 高 度 落 差 過 大 的 材
料 就 不 適 用 於 SPM, 因 為 壓 電 材 料 的 Z 軸 全 行 程
不 大 (1-10 mm); 另 外 ,SPM 的 表 面 形 貌 成 像 只
針 對 暴 露 在 最 外 層 的 結 構 , 無 法 對 下 層 結 構 成 像 ,
掃 描 電 子 顯 微 鏡 則 無 此 限 制 ; 掃 描 電 子 顯 微 鏡 還 可
對 材 料 作 成 分 分 析 ,SPM 現 今 仍 無 此 能 力 , 期 待
將 來 有 所 突 破 。 此 外 ,SPM 產 品 成 熟 度 及 穩 定 性
仍 不 如 SEM, 主 要 原 因 是 SPM 技 術 發 展 時 間 不 夠
久 。
使 用 SPM 量 測 奈 米 級 結 構 的 長 度 及 寬 度 時 ,
需 要 特 別 小 心 , 因 探 針 形 狀 會 嚴 重 影 響 到 量 測 值 ,
如 圖 11, 當 探 針 形 狀 細 長 , 所 掃 描 出 來 的 形 貌 較
接 近 真 實 ( 如 圖 11(a)), 但 當 探 針 形 狀 較 粗 , 對 突
起 結 構 , 所 掃 描 出 來 的 影 像 會 比 真 實 形 貌 來 得 寬 ;
對 凹 陷 結 構 , 所 掃 描 的 影 像 會 比 真 實 形 貌 來 得 窄
小 , 甚 至 當 表 面 突 起 比 針 尖 更 細 時 , 所 得 局 部 形 貌
反 而 類 似 針 形 ( 如 圖 11(b))。 因 此 以 SPM 量 測 奈 米
粒 徑 或 奈 米 線 寬 時 特 別 要 注 意 針 形 問 題 。 有 經 驗 的
操 作 者 可 從 SPM 影 像 中 的 細 微 結 構 來 判 斷 針 型 的
狀 況 ; 另 一 方 面 , 最 理 想 的 針 形 是 很 細 長 , 但 這 種
針 通 常 也 相 當 脆 弱 , 不 小 心 或 使 用 稍 久 , 細 長 的 針
形 就 會 損 毀 。 因 此 , 有 很 多 人 希 望 將 奈 米 碳 管 作 在
針 尖 上 , 實 驗 也 證 實 奈 米 碳 管 的 針 可 以 得 到 很 清 晰
的 表 面 形 貌 影 像 , 而 且 使 用 的 壽 命 也 比 一 般 探 針 長
很 多 , 但 這 種 針 的 製 備 麻 煩 且 所 費 不 貲 。
項 目 光 學 顯 微 鏡 SEM SPM
操 作 環 境 空 氣 、 液 體 、 真 空 中 空 氣 、 液 體 、 真 空
真 空 中 皆 可
中 皆 可
解 析 度
水 平 方 向 (x, y) 0.5 mm 2 nm 0.1-1.0 nm
高 度 (z) N/A N/A 0.01 nm
放 大 倍 率 1-2 ¥ 10 3
倍 10-10 6
倍 5 ¥ 10 2 -10 8 倍
sample 條 件 不 能 完 全 透 明 必 須 能 存 在 於 真 空 中 , 表 面 不 能 落 差 太 大
表 面 需 能 導 電 , 以 避 免
電 荷 堆 積 , 影 響 成 像
表 1.
光 學 顯 微 鏡 、 掃 描 電 子
顯 微 鏡 及 掃 描 探 針 顯 微
儀 的 比 較 。
科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2
15

(a)
Sharp
tip
誌 謝
特 別 感 謝 中 央 研 究 院 物 理 研 究 所 胡 恩 德 先 生 協
助 製 作 本 文 的 插 圖 , 以 及 永 春 高 中 化 學 科 馮 同 馨 老
師 協 助 校 稿 及 文 章 修 飾 。
Sample
附 註
(b)
圖 11. 探 針 形 狀 對 掃 描 影 像 的 影 響 。
三 、 結 論
Sample
Pyramidal
tip
各 種 SPM 技 術 的 陸 續 誕 生 與 進 展 , 給 予 人 類
前 所 未 有 的 能 力 , 從 最 小 、 最 基 礎 的 層 級 去 探 討 、
瞭 解 自 然 界 及 材 料 相 關 領 域 的 很 多 現 象 及 問 題 。 在
21 世 紀 ,SPM 技 術 將 還 會 有 更 長 足 的 進 步 , 它 的
應 用 也 會 更 普 及 到 各 種 不 同 的 領 域 , 甚 至 在 不 同 的
操 作 環 境 中 , 以 奈 米 尺 度 直 接 觀 察 動 態 過 程 的 演 變
細 節 , 並 作 極 精 密 的 操 控 。SPM 對 人 類 科 學 與 技
術 的 發 展 , 有 極 重 大 的 貢 獻 , 已 有 不 少 人 預 測 ,
SPM 有 可 能 如 光 學 顯 微 鏡 , 將 成 為 每 一 實 驗 室 中
必 備 的 工 具 , 因 此 , 未 來 可 能 每 個 人 都 需 要 對 此 技
術 有 一 些 基 本 的 瞭 解 。
另 外 ,SPM 已 是 關 鍵 的 奈 米 核 心 技 術 ,SPM
技 術 的 開 發 需 要 更 多 的 人 力 投 入 及 創 新 。 在 科 技 先
進 的 國 家 ,SPM 已 成 為 很 多 有 天 賦 並 勇 於 接 受 挑
戰 的 年 輕 人 所 熱 中 參 與 的 研 究 項 目 ; 在 台 灣 我 們 極
需 推 廣 SPM 的 教 育 及 應 用 , 並 積 極 爭 取 年 輕 人 參
與 新 技 術 的 開 發 , 才 能 在 未 來 奈 米 科 技 的 國 際 競 爭
中 佔 一 席 之 地 。
1. 相 較 於 材 料 內 部 的 原 子 , 材 料 表 面 的 原 子 其 相 鄰
原 子 數 目 更 少 , 因 此 表 面 原 子 的 鍵 結 與 內 部 原 子
非 常 不 同 。 尤 其 是 形 成 共 價 鍵 的 表 面 原 子 會 有 未
鍵 結 的 電 子 (dangling bonds), 使 表 面 原 子 的 能 量
比 內 部 原 子 高 出 甚 多 。 因 此 表 面 原 子 常 會 重 新 鍵
結 , 形 成 與 內 部 原 子 不 同 的 結 構 , 以 降 低 表 面 的
能 量 , 此 表 面 原 子 結 構 稱 為 表 面 重 構 (surface
reconstruction), 其 單 位 晶 格 的 週 期 常 比 內 部 原 子
的 週 期 大 , 而 且 表 面 電 子 結 構 也 與 材 料 內 部 不
同 。 再 者 , 不 同 元 素 、 不 同 晶 格 方 向 的 表 面 現 象
也 會 不 一 樣 , 因 此 表 面 現 象 加 上 尺 寸 效 應 , 更 使
奈 米 結 構 的 特 性 研 究 複 雜 化 。
2. STM 比 AFM 容 易 達 到 原 子 解 析 度 , 這 是 因 為 針
尖 末 端 只 要 有 一 顆 原 子 比 其 他 原 子 突 出 1 埃 以
上 , 穿 隧 電 流 就 主 要 經 過 此 一 原 子 , 其 他 原 子 對
穿 隧 電 流 的 貢 獻 微 不 足 道 。 因 此 , 在 平 坦 表 面
上 , 即 使 針 形 不 是 很 尖 細 , 有 一 顆 稍 突 出 的 原 子
就 可 達 到 原 子 解 析 。 反 觀 AFM 所 利 用 的 原 子
力 , 因 同 時 有 長 程 力 及 短 程 力 的 作 用 , 針 尖 與 表
面 的 交 互 作 用 區 域 就 不 限 於 幾 顆 原 子 而 已 ; 即 使
利 用 短 程 力 可 得 到 較 佳 的 解 析 度 , 但 來 自 於 整 個
針 尖 末 端 數 十 nm 的 區 域 及 其 下 方 的 表 面 原 子 間
的 長 程 力 , 也 對 全 部 交 互 作 用 力 有 不 小 的 貢 獻 ,
因 此 解 析 度 難 與 STM 相 比 , 但 針 的 最 尖 端 越
細 , 探 針 與 表 面 交 互 作 用 的 區 域 越 小 , 解 析 度 自
然 也 就 越 佳 。
3. 在 真 空 環 境 中 , 因 懸 臂 振 盪 的 阻 尼 極 小 , 當 交 互
作 用 力 改 變 , 懸 臂 振 盪 的 原 先 振 幅 會 持 續 一 陣
子 , 才 逐 漸 調 整 到 另 一 穩 定 的 振 幅 值 。 所 以 , 在
探 針 掃 描 過 程 中 遇 到 樣 品 表 面 高 度 改 變 , 振 盪 的
振 幅 無 法 快 速 調 整 , 若 使 用 暫 接 觸 式 AFM, 回
饋 電 路 無 法 即 時 反 應 , 這 時 掃 描 速 度 必 須 很 慢 ,
16 科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2

否 則 容 易 撞 針 , 而 且 影 像 的 解 析 度 不 佳 。 在 空 氣
中 , 懸 臂 振 盪 的 振 幅 調 整 得 很 快 速 , 因 此 可 以 用
振 幅 值 作 為 回 饋 電 路 的 輸 入 。
參 考 文 獻
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‧ 黃 英 碩 為 美 國 哈 佛 大 學 應 用 物 理 博 士 , 現 任 中 央 研 究
院 物 理 研 究 所 研 究 員 。
‧Ing-Shouh Hwang received his Ph.D. in applied physics
from Harvard University, USA. He is currently a research
fellow at the Institute of Physics, Academia Sinica.
科 儀 新 知 第 二 十 六 卷 第 四 期 94.2
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