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研究生:蔡旭斌
研究生(外文):Syu-bin Tsai
論文名稱:雙單元掃描式穿隧電流顯微鏡之建構
論文名稱(外文):The Implementation of A Dual Unit Scanning - Tunneling Microscope
指導教授:劉永田
指導教授(外文):Yung-Tien Liu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:機械與自動化工程所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:尺蠖步進器壓電自走機構掃描式穿隧電流顯微鏡奈米量測
外文關鍵詞:piezoelectric impact drive mechanismInchworm actuatorSTMNanometer measurement
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本論文之主要目的乃建構雙單元掃描式穿隧電流顯微鏡,其功能為利用參考試片之原子晶格,進行待測試片之奈米尺度的量測。此裝置主要以四種不同的壓電驅動方式所構成,包含超精密XY掃描平台、壓電自走機構、尺蠖步進器、壓電驅動之探針,以及電路控制系統等。本裝置之特點為,將待測試片量測用的探針及基準參考試片安裝在相同的XY掃描平台上,可同時掃描參考試片與待測試片的STM影像.因兩個影像之邊界尺寸相同,可根據參考試片的表面晶格(Lattice)的數目,藉以計算待測試片的長度,因此,可達奈米尺度的量測能力。
本實驗裝置中,利用其超精密XY掃描平台取代市面上販售的STM之壓電陶瓷管,搭配其電路控制系統,可選擇大範圍移動或小範圍移動,並避免兩軸間的干涉位移以獲得高解析度的掃描能力;在壓電自走機構、尺蠖步進器與壓電驅動之探針巧妙的搭配下,使探針與試片達到穿隧狀態,且不會損毀試片表面。最後,將整體實驗裝置搭配電路控制系統,進行石墨(HOPG)試片表面量測,確認所建構之裝置具備原子級的解析度,可應用於奈米科技有關之長度量測。
This thesis aims to construct a dual unit scanning tunneling microscopes. The capability is to utilize crystalline lattice of reference sample to advance measurement of nano-scale of test sample. This mechanism consists of an ultra-precision XY scanning stage, an inchworm actuator, an impact drive mechanism (IDM), a piezoelectric drive tip, and an electronic controlling system. The characteristic of this mechanism is the tip of test sample measurement and reference sample install on the same XY scanning stage. Simultaneously scan STM images of reference sample and test sample. The two images are the same border size. The length in test sample could be counting the number of surface lattice of reference sample. Therefore, could to achieve the measurement ability of nano-scale.
In this experimental device, utilizing an ultra-precision XY scanning stage in place of the piezoelectric tube of STM sold on market, selecting large-scale or small-scale displacement with the electronic control system, and avoiding the interference between the axles is in order to obtain the high-definition scanning ability. Under the ingenious collocation of piezoelectric impact drive mechanism, inchworm actuator and piezoelectric drive tip, the tip and the sample achieves tunneling condition, and the sample surface doesn''t be damaged. Finally, the surface measurement of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) proceeds in the experimental device that the electronic control system is collocated. Make sure the device possess the atomic resolution, and it can be applied to length measurement about nanometer science and technology.
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
符號說明 XII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 3
1.3 研究目的 6
1.4 論文架構 7
第二章 掃描式穿隧電流顯微鏡簡介 8
2.1 掃描式穿隧電流顯微鏡基本原理 8
2.2 掃描式穿隧電流顯微鏡的取像方式 10
2.3 掃描式穿隧電流顯微鏡架構 12
2.4 掃描式穿隧電流顯微鏡驅動裝置 16
2.4.1 尺蠖式驅動裝置 16
2.4.2 自走式驅動裝置 18
2.5 結論 19
第三章 雙單元掃描式穿隧電流顯微鏡架構 20
3.1 雙單元掃描式穿隧電流顯微鏡系統介紹 20
3.2 雙單元掃描式穿隧電流顯微鏡架構 20
3.3 STM掃描器裝置 22
3.4 STM步進器驅動裝置 23
3.4.1 壓電自走機構 23
3.4.2 尺蠖步進器 29
3.5 壓電驅動之探針介紹 31
3.6 電路控制系統 32
第四章 驅動裝置相關實驗 34
4.1 前言 34
4.2 超精密XY掃描平台特性實驗 34
4.2.1 超精密XY掃描平台實驗裝置 34
4.2.2 階梯式步階驅動訊號 35
4.2.3 斜坡驅動訊號 37
4.2.4 XY掃描平台步階響應 40
4.3 壓電自走機構特性實驗 41
4.3.1 壓電自走機構實驗裝置 41
4.3.2 單次驅動電壓之移動特性 42
4.3.3 連續驅動之移動特性 45
4.4 尺蠖步進器特性實驗 46
4.4.1 尺蠖步進器實驗裝置 47
4.4.2 單次驅動電壓之移動特性 48
4.4.3 連續驅動之移動特性 50
4.5 壓電驅動之探針特性實驗 51
4.5.1 壓電驅動之探針實驗裝置 51
4.5.2 階梯式步階驅動訊號 52
4.5.3 斜坡驅動訊號 53
4.6 結論 57
第五章 DTU-STM應用於奈米尺度量測 58
5.1 介紹 58
5.2 參考試片之選用 59
5.3 實驗準備 60
5.4 實驗方法和步驟 63
5.5 實驗裝置 65
5.6 實驗結果 67
5.6.1 步進器位移量之搭配 67
5.6.2 自動穿隧定位 70
5.6.3 DTU-STM應用於HOPG表面量測 73
第六章 結論與未來展望 76
6.1 結論 76
6.2 未來展望 77
參考文獻 78
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