中央研究院應用科學中心核心設施－低溫高磁場掃瞄探針顯微儀

掃瞄探針顯微儀實驗室（Scanning Probe Microscope Laboratory, SPM lab）是中央研究院應用科學中心轄下核心設施實驗室之一。為加強應科中心與國立交通大學光電系之合作，實驗室設置於交大光電系田家炳光電大樓共同實驗室（101室）。實驗室目前有兩位工作同仁，一位研究助技師與一位研究助理。歡迎應科中心同仁與交大光電師生參觀與使用。

張仕欣  Shih-Hsin Chang

研究助技師  Assistant Research Technical Staff

經歷:

* 2007-2009 Scientific staff, Institute of Applied Physics, University of Hamburg, Germany
* 2003-2007 Postdoctoral Fellowship, Institute of Physics, Academia Sinica, Taiwan

             劉安鈞 An-Chun Liu

             研究助理  Research Assistant

             經歷:

             * 中華大學機械航太工程研究所

             * 2007-2009工業技術研究院材化所

中央研究院應用科學中心核心設施－低溫高磁場掃瞄探針顯微儀

掃瞄探針顯微儀，尤其是掃瞄穿隧顯微儀以及掃瞄穿隧能譜，自從1982年由位於瑞士蘇黎世的IBM兩位科學家G. Binnig以及H. Rohrer（1986年諾貝爾物理獎得主 [1]）發明之後，已經成為研究表面奈米科學最重要的利器。掃瞄探針顯微儀不但可以獲得表面形貌資訊，更重要的是結合掃瞄穿隧能譜，還可以揭露原子、分子與奈米結構在表面上的電子結構 [2]。結合精準定位的掃瞄探針與原子以及分子操縱術，科學家更可以研究人造奈米結構的物理特性 [3]。

為了加強中心的競爭力，中央研究院應用科學中心（簡稱應科中心）於2008年底決定購買由德國attocube公司（http://www.attocube.com/）製造之掃瞄探針顯微儀。整組系統並於2009年10月完成安裝與測試。此系統目前放置在應科中心位於新竹之光電小組與國立交通大學光電下之共同實驗室（田家炳光電大樓101）。經過安裝與測試，系統已經開放給中心與交大光電研究人員使用（請參閱管理辦法）。整組系統（參照圖一）包含一根插入棒（insert）、一個致冷器（cryostat）以及一套控制器；其操作模式共有三種：掃瞄穿隧顯微模式（STM）、原子力顯微模式（AFM，接觸與非接觸）以及音叉式原子力顯微模式（Tuning fork AFM）。掃瞄試片總類相當廣，包含金屬、半導體乃至於絕緣體。

圖二顯示此系統的核心之處－掃瞄模組。試片可以經由三組各自獨立的步進器（positioner）移動掃瞄位置；移動距離在平面兩軸（x與y）均為正負2.5 mm，垂直軸（z）為5mm。在三軸步進器上方為掃瞄裝置（scanner），其最大掃瞄範圍在室溫為40×40μm2，在低溫（4 K）則為9×9μm2。藉由液態氦（或液態氮）冷卻，試片溫度可以降到4 K（或78 K）。配合一內建加熱器，試片溫度（掃瞄溫度）可以調控。另外，此系統在致冷器內還內建一超導磁鐵，磁場強度在垂直試片方向（z）最高可達到9特斯拉。除了系統原有的掃瞄模式之外，搭配適當的光纖與分析儀器，系統也可以量測試片因受光激發後之反應或收集與分析奈米結構因受光或電激發所發出之光子。

結語：由上面的簡介可以得知，此核心設施是一部相當先進的設備。更重要的是系統預留有將來在其它量測或運用上的彈性與空間。希望此設備可以幫助中心研究人員去發現與開拓奈米科學的疆域。

參考資料:
[1] G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982); Phys. Rev. Lett. 50, 120 (1983).

[2] W.B. Su, S.H. Chang, W.B. Jian, C.S. Chang, L.J. Chen, and T.T. Tsong, Phys. Rev. Lett. 86, 5116 (2001); S.H. Chang, W.B. Su, W.B. Jian, C.S. Chang, L.J. Chen, and T.T. Tsong, Phys. Rev. B 65, 245401 (2002); I.-S. Hwang, S.-H. Chang, C.-K. Fang, L.-J. Chen, and T.T. Tsong, Phys. Rev. Lett. 93, 106101 (2004); Phys. Rev. Lett. 94, 045505 (2005); S.-H. Chang, I.-S. Hwang, C.-K. Fang, and T.T. Tsong, Phys. Rev. B 77, 155421 (2008); A. Scarfato, S.-H. Chang, S. Kuck, J. Brede, G. Hoffmann, and R. Wiesendanger, Surf. Sci. 602, 677 (2008); S.-H. Chang, S. Kuck, J. Brede, L. Lichtenstein, G. Hoffmann, and R. Wiesendanger, Phys. Rev. B 78, 233409 (2008); J. Brede, M. Linares, S. Kuck, J. Schwöbel, A. Scarfato, S.-H. Chang, G. Hoffmann, R. Wiesendanger, R. Lensen, P.H.J. Kouwer, J. Hoogboom, A.E. Rowan, M. Bröring, M. Funk, S. Stafström, F. Zerbetto, and R. Lazzaroni, Nanotechnology, 20, 275602 (2009); S. Kuck, S.-H. Chang, J.-P. Klöckner, M.H. Prosenc, G. Hoffmann, R. Wiesendanger, ChemPhysChem, 10, 2008 (2009).

[3] J.A. Stroscio and D.M. Eigler, Science 254 1319 (1991); S.-W. Hla, K.-F. Braun, B. Wassermann, K.-H. Rieder, Phys. Rev. Lett. 93, 208302 (2004); V. Iancu, A. Deshpande, and S.-W. Hla, Phys. Rev. Lett. 97, 266603 (2006).

Figure caption:
Fig. 1: An attocube low-temperature, high-magnetic scanning probe microscope system.
Fig. 2: A close-up picture of the insert.