掃描穿隧式顯微鏡原理

掃描穿隧式顯微鏡原理 (Scanning Tunneling Microscope，STM)
國立臺灣師範大學物理系曾鈺潔碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯
 

掃描穿隧式顯微鏡 (STM) 是利用量子穿隧效應 (quantum tunneling effect) 探測晶體表面原子結構的儀器。其發明的原由皆在本站文章–「顯微鏡發展歷史–掃描穿隧式顯微鏡的誕生」中陳述；此文將進一步討論掃描穿隧式顯微鏡的設計原理。

其主要利用的物理原理是量子穿隧效應，這是一種運用在原子世界的量子特性，無法以古典觀點（一般高中所學的物理）加以解釋。古典力學中，波動與粒子為不同的類別，一般物質屬粒子，其運動須遵守牛頓運動定律；若將一物體丟向一面硬牆（此運動不具破壞性），該物體絕不可能穿牆而過。然而在原子世界中，物質具有波動和粒子的特性，即波粒二象性（wave-particle duality），運動模式須遵守異於古典的量子力學；因具有波動的性質，當很多電子撞擊一層很薄的障礙物時，電子有不為零的機率穿過電位障壁，並產生穿隧電流（tunneling current）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，大約當厚度增加一埃，穿隧電流會衰減為原來的十分之一，可見穿隧電流對障壁厚度非常敏感；利用此特性即可建構一台具原子解析度的顯微鏡。

若探針尖端夠尖，並和樣品維持在能產生穿隧電流的距離之內（約為5埃左右），此時只要在探針與樣品間施加一電場，即可誘發電子穿越電位障壁產生穿隧電流。利用穿隧電流隨該距離靈敏的改變，讓探針在樣品表面上來回掃描，對應記錄各點高度值，即能構成樣品表面的二維圖像。常見的取圖法分為兩種：

1.定電流取像法（constant current mode）：如圖一，在掃描過程中固定穿隧電流值，即鎖定探針和樣品表面間的距離。因此探針必須隨樣品起伏調整高度，記錄調整的高度可繪出樣品表面影像。此模式可以容忍掃描高低變化較大的樣品，但因調整高度使掃描速率緩慢，較易受低頻雜訊的干擾。

2.定高度取像法（constant height mode）：如圖二，在掃描過程中固定探針高度，因此探針和樣品表面間距會隨樣品高低起伏改變，同時改變穿隧電流值。直接記錄穿隧電流值，並利用電流值和該距離的關係式，即可繪出樣品表面影像。此模式可作快速掃描，但若掃描樣品的表面起伏過大，易造成探針損壞。

參考資料：
1.沈青嵩（2001.12），「掃描式穿隧顯微鏡（STM）」，國立台灣師範大學物理系物理教學示範實驗教室，物理專欄短文，http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=2955
2.「掃描穿隧式顯微學」，香港中文大學物理系，原子世界，http://www.hk-phy.org/atomic_world/stm/stm01_c.html
註：若想更清楚的了解掃描穿隧式顯微鏡的原理，可以點選連結–香港中文大學物理系製作的動畫– http://www.hk-phy.org/atomic_world/stm/stm04_c.html
3.維基百科–掃描隧道顯微鏡  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/掃描隧道顯微鏡
維基百科–量子穿隧效應  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/隧道效應