自制扫描式电子显微镜

自制扫描式电子显微镜

HSTM(Home-brewed Scanning Tunneling Microscope)

科教所博士班学生颜弘志

摘要：

近年来随着纳米科技的迅速发展，电子显微镜的需求日益增加，但实验室与工业使用的电子显微镜动輒数十万元，实在让一般学生望之却步，在教授的带领下，这个研究企图在最少的材料花费下，配合电脑软体成像的技术，自制电子显微镜，以作为未来学生自制廉价电子显微镜的参考。

研究动机：

在教授的指导下，我们搜寻国内外自制电子显微镜的网站，意外发现一个网站Simple STM Project (/spm_stm/)，内容详细介绍自制电子显微镜的过程，好奇心的驱使使我们决定要尝试看看，可否在有限资源下完成一台学生用的STM。

研究目的：

这个研究的目的除了要验证自制电子显微镜的可行性外，还要评估与改良自制电子显微镜的效能。

研究设备与材料：

设备：一般电子学实验室设备、车床、数位类比转换器、电脑、实物摄影机

材料：电子电路材料、压电材料、自动铅笔笔头、铝板、螺丝、银胶、9伏特电池两个、铜丝

仪器制造过程方法：

一、机械部分

自制STM侧面构造简图【图一】，首先依据设计图切割铝板，○代表贯穿螺丝孔，●代表螺丝凹槽，为避免电子显微镜调节时不必要震动，凹槽务必研磨圆滑。

依图二，上层铝板的大圆孔为压电片摆放位置，大圆孔左右各有一个圆孔是固定压电片螺丝所使用，螺丝圆孔大小直径约2mm,A、B两线相距1mm，A、C两线相距10CM，应用杠杆原理透过以A线作为支点，细调节轮可以可以产生比粗调节轮约百分之一调节能力。

以本实验为例，本实验螺丝螺纹2.5圈为1mm，所以粗调节轮一圈约为0.4mm而细调节轮一圈则为0.004mm约为4000纳米，转90度约1000纳米，在实际操作中，人的手感约可控制3—5度，也就是说，通过细调节，针尖到载物台的间距可以控制在几十纳米左右。为提升机械稳定性，我们在上层铝板上搁置重物，下层铝板四角下方加上硬塑料垫，事实上，我们的经验发现，过程中一些微小的震动都会影响穿隧电流的产生。

二、电子电路部分

1.电流放大器：由于穿隧电流是很小的大约在0.001Na-20nA，所以必须使用电流放大器放大电路(如图三)，通过本实验设计约可将电流放大10⒏倍，使其电流改变可被电脑读取分析。

2.XYZ position control：使用TL074运算放大器、电阻与电容构成控制器(如图四)，而X、Y 轴波形与频率则由电脑程序控制。Z轴方向信号则由类比数位转换器接收(图五)，并转由LabVIEW程式绘图，图六则为电路完成时图像。

三、探针制作

探针品质的优劣与电子显微镜的效能有密切关系，依我们的经验，探针氧化或因碰撞变钝时，穿隧电流出现机会会大大降低。制作针尖时，我们采用将铜线放置于氢氧化钠中通过电解作用去除氧化物，再利用尖利钳子作三个向度斜切，这个动作最好在放大镜下进行，以确保针尖的尖锐度。

除此之外，利用实物摄影机观察针尖与载物台的距离(图九、图十)，先以肉眼调整至最近的距离(可避免无谓的碰撞)，再以粗细调节轮调节，依据我们的经验，碰撞2-3次后必须更换针尖，所以每次必须多做几个针尖以备不时之需，但也不要制作太多，因为隔几天针尖就会氧化无法使用

研究过程及方法：

一、实验一：由示波器检视电流范围及穿隧电流，图十一显示探针未接触载物台电压。大小(约

3.5V)及波形，图十二则为探针以接触载物台时电压大小(约负1.1V)及波形，图十三、图十四表示穿隧电流电压大小(约0.5V)及波形

二、实验二：利用LabVIEW程式控制X、Y轴频率，并收集Z轴穿隧电流变化，将类比数位转换器输出端连接X、Y轴缆线，将Z轴接受穿隧电流缆线连接输入端(如图十五)，LabVIEW程式撰写以回圈方式，逐步改变+X与-X 压使针尖由+X方向逐步扫向-X方向，共扫描100点，Y轴前进一点，共收集10000点使其成像。

研究结果：

一、自制电子显微镜设计改进部分，共分成三个部分：

1.在机械部分，改变原以橡皮筋增加上下层铝板拉力(如图九)，因为使用这样的方式，即使已调出穿隧电流，仍会因弹性疲乏造成穿隧电流忽隐忽现(如图十七)，改变以放置重物(如图十八)，以重力取代弹力，可避免类似现象。

2.在电子电路的部分，由于穿隧电流十分的小，透过放大电路加以放大时，也可能将干涉放

大，使用受屏蔽效应保护的同轴缆线，能有效的减少干涉(如图十九)

二、利用自制电子显微镜扫描：

1.图二十显示我们扫描铜片表面的结果，经计算XY轴移动约0.1µm/1V，图中XY轴控制移动100点共移动4V，每点移动电压40mV，每点约移动0.004µm/40mV，相当于一点面积约16nm⒉(平方纳米)图二十一为放大图。

结论：

这样的扫描结果让我们满意，虽然比专业级的电子显微镜仍有距离，但对于一般学生可花不到1000元台币可完成一台嗲子显微镜来说(不含类比数位转换器、LabVIEW程式电脑)，就可以看见纳米程度，实在是很吸引人，除了可作为纳米材料乐成的辅导教具，也可作为电子学实验课程作为参考。

参考书目：

Scanning Probe Microscopy SPM Web Page /spm_stm/王雨瑞(2005)自制扫描式穿隧电流显微镜，中兴大学物理研究所硕士论文Nanotechnology:The Homebrew STM Page /~jlyang/research/STMWebPage.html