█ 漫談掃描穿隧電流顯微術STM
文、圖◎廖先順副教授
掃描探針顯微術(scanning probe microscopy, SPM)是在奈米尺度量測領域中一個非常重要的技術。2004年我因著碩士班指導老師呂宗熙教授而首次接觸此一技術，自此十分著迷而持續進行相關研究與工作至今。這次很高興能藉此機會與系上同學們聊聊SPM中最早期的一個技術:掃描穿隧電流顯微術(scanning tunneling microscopy, STM)。STM是在1981年由德國物理學家Gerd Binnig以及瑞士物理學家Heinrich Rohrer於瑞士蘇黎世IBM所成功實現，他們也因此卓越貢獻而榮獲1986年諾貝爾物理獎。順帶一提，當年獲得諾貝爾物理獎的共有三人，另一位獲獎者德國科學家Ernst Ruska則是因為設計了第一台電子顯微鏡而得獎。STM的成功開啟了SPM發展的大門，日後各式SPM技術百花齊放，提供了在奈米尺度下各種物理量的量測技術。
█ 圖一、Gerd Binnig(右)與Heinrich Rohrer (左)
█ 圖二、2013年筆者於威尼斯參與會議時巧遇Gerd Binnig(中)、Christoph Gerber (右)。Prof. Gerber是原子力顯微鏡(AFM)的發明人之一
圖三為Binnig與Rohrer所提出之STM說明圖[1]，此技術利用一金屬探針掃描表面，藉此取得表面之高度形貌影像。透過在探針與樣品間施加一偏壓，當探針與樣品表面距離極為接近時，針尖與樣品間會產生穿隧電流。探針與樣品之相對位置則可透過探針上方之壓電材料進行操控。當在移動探針在XY平面上進行掃描時，利用同學們大三學習的回饋控制方法，透過控制壓電材料調整探針在Z方向之位置以穩定穿隧電流之大小，即可控制探針與樣品之距離為一固定值，此時探針在Z方向之位置即代表樣品表面高度。由於此技術在同一時間僅量測針尖與樣品產生交互作用之一點，因此可達原子級尺度之空間解析能力。一個非常有名的例子是1990年Don Eigler和Erhard Schweizer利用STM在4K極低溫環境下，於鎳表面上以35顆氙原子排出IBM的字樣(圖四)[2]。實驗成功那天，Don Eigler還在實驗記錄簿上用粗體大字寫下“I’m Really having Fun!!"[3]。
█ 圖三、Binnig與Rohrer提出之STM原理說明圖[1]
█ 圖四、Don Eigler和Erhard Schweizer以氙原子排出之IBM字樣[2]
憶起2006年我剛到中央研究院物理研究所擔任研究助理，指導老師張嘉升研究員給我的其中一個任務即是修復一台已被分解的自製STM(圖五(左))。在老師以及學長們的指導下，一步一步、仔細地完成每一部件的組裝、電路焊接、測試與修改，到最後成功解析出石墨表面晶格影像(圖五(右))，還記得第一次觀察到石墨晶格的興奮心情。與同學們分享我在這次過程中學到的寶貴經驗。第一，無論是學習或是研究、按部就班、紮實地將每個環節做好才是成功的捷徑。馬虎、貪快所造成的小錯誤往往在日後要付出加倍的時間除錯。在精密量測實驗中，不幸選到一條品質不好的導線都可能造成過大的雜訊並影響實驗。第二，勇於挑戰更上一層樓。當實驗有些成果進展時，中研院的老師們經常會問有沒有嘗試取得更高解析度的影像。比如自己已經付出了十分的努力而達到了九十分的高分，但在這之上要再進一步到九十一分很可能是十分困難的，也許要再花上更多倍的時間才能提升這一分。但在某些領域哩，例如百米賽跑或F1賽車，那極小的時間差就是勝負的關鍵。最後，找到你有興趣的事物，也在你所作的工作中找到樂趣，Have Fun!
█ 圖五、(上)2006年在中研院修復完成的STM，(下)自製STM大氣環境中取得之石墨晶格影像
[1] Binnig, Gerd, and Heinrich Rohrer. "Scanning tunneling microscopy." Surface science 126.1-3 (1983): 236-244.
[2] Eigler, Donald M., and Erhard K. Schweizer. "Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope." Nature 344.6266 (1990): 524.
[3] Toumey, Chris. "35 atoms that changed the nanoworld." Nature nanotechnology 5.4 (2010): 239.
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