掃描穿隧顯微術

掃描穿隧顯微術起源於1980年代初期,利用它能解析出晶體表面的原子結構及電子分佈情形,發明人G. Binnig及H. Rohrer因此於1986年獲頒諾貝爾物理獎。此技術有效並穩定地操控金屬探針,且利用量子力學的電子穿隧原理,藉探針在距樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描,讓原子的排列具體地呈現,有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現象。此外,科學家也空前地展示了搬移原子的能力,同時也能人為地改變電子量子化的狀態,使製造原子級的材料和元件,已不再只是夢想。自掃描穿隧顯微術問世以來,已衍生出許多相關技術,用途更擴展至許多不同的研究領域及產業,對人類明日的高科技,將造成重大的影響。

黃英碩、張嘉升

一、前言

在科學發展史上,顯微技術一直隨著人類科技文明而不斷地突破,科學研究及工業技術,也隨著新的顯微技術的發明而推升至更微小的世界。近十年來,工業界的半導體電路技術由次微米(submicron, 1 micron=10-6 m)推向深次微米,新的電子元件也越做越小;實驗室正積極進行的超薄膜及超晶格(superlattice)技術,也要求到原子層的精確控制;很多人將奈米(nanometer, 1 nanometer = 10-9 m)大小的結構視為未來的明星材料。由此看來,人類對更高解析度顯微術的需求相當迫切。最終的目的是希望能夠看到單一的原子,進而能從最基本的原子層級來瞭解材料的各種物理及化學特性,並藉掌控原子來製造新材料及新元件。就表面顯微技術(1) 而言,為因應這樣的趨勢,近年來也有突破性的發展。當一個物件很小時,其表面積與體積的比例增加了,表面的物性已不容忽略;如果到達目前工業界常用的薄膜尺寸,區分表面與內體(bulk)已無太大的意義。為了使產品精巧,許多不同功能的小元件,必須有效地連結起來,發揮特殊的效果。因此,在這些小元件間便產生許多功能性的界面;若有一個界面出了差錯,整個產品即不能使用。所以,在我們目前所處的個人電腦時代所代表的「小、巧、快」的文化中,表面顯微技術所扮演的角色是十分重要的。它的積極性功能在幫助學者瞭解許多表面(界面)或微小物體的物理、化學、機械、電子等方面的性質;消極性功能則在檢測和分析產品失敗的原因。

光學顯微鏡是最早被發展出來增進人類微觀視野的工具。其主要結構包括:接物鏡、接目鏡及光源。傳統的光學顯微鏡所能提供的最佳解析度,大約等於其使用光源的波長(~1mm),這樣的解析度已不符目前的需求。為達到~nm的解析度,使用的光源必須是X光;然而製作能使X光聚焦的鏡片並不容易。因此,電子束便成為取代可見光源的必然的選擇;同時,以電或磁場效應設計的透鏡也應運而生,造就了電子顯微鏡的時代。1940年代發展出來的掃描電子顯微鏡(SEM),將解析度提高至約20埃(A, 1A = 10-10m, 原子直徑約為2-3 A),而成為現代科技中一項重要技術。其主要原理與傳統光學顯微鏡類似,只不過以電子取代了光波,玻璃鏡片換成了電磁鏡片。

本文將介紹1980年代初期在瑞士的IBM實驗室所發展出來的一種新技術──掃描穿隧顯微術(scanning tunneling microscopy,簡稱STM)(2-4),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。STM的操作方式,迥異於光學及電子顯微鏡,並未使用鏡片,而是用一支極細的金屬針,沿材料表面的高低起伏掃描,藉掃描時導致的穿隧電流變化來成像。預測此技術將對物理、化學、生物、及材料等領域產生重大的影響。在1986年,發明者即因此獲頒諾貝爾物理獎的桂冠。

為了突顯該顯微術之優異性,表一列舉了光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、及掃描穿隧顯微鏡(STM)之簡單功能比較。很明顯地,STM在空間解析度上優於另二者,尤其是垂直表面(z)方向,電子顯微鏡不太能分辨10nm以下的高度差,用STM就不難達到0.01nm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。STM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;再加上其造價低於電子顯微鏡,體積小,設計彈性又很高,因此易與其它系統整合;若與光學顯微鏡結合,可以說是「鉅細靡遺」。當然,STM也有些缺點,如不導電樣品或表面高度落差過大的材料就不適用。況且,STM掃描速度仍比不上SEM,產品成熟度及穩定性也還不夠;這些主要是因STM技術發展時間尚短,商業化產品近數年才出現。


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