穿隧效應(Tunneling Effect) 的應用（一）：掃描穿隧顯微鏡 (STM)

穿隧效應(Tunneling Effect) 的應用（一）：掃描穿隧顯微鏡 (STM)
台北縣立三民高級中學化學科林秀蓁老師/國立台灣大學陳藹然博士責任編輯

1924年德布羅依(L. de Broglie,1892~1987)提出物質波(matter wave)的概念，並於1927年戴維森(C.J.Davisson,1881～1958)及革末(L.H.Germer,1896 ~ 1971)以54eV之電子束垂直撞擊鎳晶體表面，得到如同光波的干涉與繞射現象，證實電子波動性，並榮獲1937年諾貝爾物理獎。現今都將這些物質波稱為德布羅依波(de Broglie wave)，德布羅依波給予物質與光的雙重性，建立波動力學的理論基礎。因為粒子具有波動性，如電子等微小粒子有機會穿過本來不可能通過的能量障礙，稱為「穿隧效應(Tunneling Effect)」。穿隧的的機率和距離有關；距離越小，穿隧的機率越大。

掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)是一種利用量子力學中穿隧效應探測物質表面結構的儀器，1982年由賓尼(Gerd Binnig, 1947-)和羅雷爾(Heinrich Rohre, 1933-)所發明，並以此榮獲1986年諾貝爾物理獎。其主要是利用一根非常細的鎢或鉑銥合金為探針，而針尖在物體表面掃描時，針尖通入高壓電針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，依此來觀測物體表面的形貌。（圖一、二）

圖一、掃描穿隧顯微鏡示意圖

圖二、掃描穿隧顯微鏡下的石墨

由於樣品和探針距離極小，只有數奈米，探針針尖原子的波函數和樣品表面原子的波函數重疊，當探針和樣品間有電壓存在，兩者間便會產生穿隧電流。穿隧電流對針尖的與樣品的距離非常敏感，成數量級變化，即對垂直方向的解析度極佳；至於橫向的解析度則受限於探針針尖的大小。是以掃描穿隧顯微鏡的解析度為奈米級(nanometer level)，其可克服普通光學顯微鏡之光波繞射影響，得以辨別遠小於可見光波波長的物體。

1990年IBM科學家在絕對溫度4度(4K)下，利用穿隧電流增加時，針尖將能推動物體表面的原子的技術，將37個氙(Xenon)原子製造出世界上最小字的「IBM」（圖三）；而2000年英國牛津大學物理學家John B. Pethica 與同事，在室溫下使用掃描式電子穿隧顯微鏡.，以快速震動針尖達數個原子寬度，再以一系列的撞擊移動個別的原子到預定的位置上，且發現這效應與針尖高度無關只與穿遂電流大小有關，推測此原子是因電流加熱而移動，此成果將對奈米技術帶來重要的進展。

圖三、

參考資料：
1. Manipulation of atoms across a surface at room temperature，T. W. Fishlock, A. Oral, R. G. Egdell and J. B. Pethica，《Nature》404，p.743，2000。
2. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope，D. M. EIGLER & E. K. SCHWEIZER，《Nature》344，p.524，1990。
3. WIKIPEDIA網站–Scanning tunneling microscope http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope
4.<掃瞄電子穿隧顯微鏡> http://www.ch.ntu.edu.tw/~rsliu/ … hapter3_report3.pdf
5. http://www.cpmah.org.tw/2002/home/c91c064/www/tunnel/a.htm
6. 維基百科網站–量子穿隧效應 http://zh.wikipedia.org/zh/量子穿隧效應
7. 黃俊榮，<自發性奈米結構之掃描穿隧電子顯微鏡觀測>，成大研發快訊-文摘第4卷第8期，2008年6月。
  http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080606/5.html