上海光学仪器厂

扫描穿隧式显微镜仪器架构

扫描穿隧式显微镜为何可以利用探针与样品间的距离来显示样品表面影像，已在本站的文章–“扫描穿隧式显微镜原理”中说明，在此将对实际仪器架构的内容加以解说。扫描穿隧式显微镜架构的示意图如下：

扫描穿隧式显微镜的组成部分可细分成以下几个部分：

1. 扫描头：是控制探针移动的中枢，使用压电材料制成，可让探针以小于 1埃 的精确度移动。为了能控制探针做二维平面的扫描，并随扫描模式调整探针及样品间距，通常会在压电陶瓷管上镀层金属，将压电管外壁均分四极以做 x+ 、 x- 、 y+ 、 y- 方向的扫描，而内壁则是做 z 方向的调变。藉由施加偏压以改变陶瓷管的长度、厚度，而让探针移动进行扫描，一般扫描范围都可达几个 μm 。

2. 探针：自制的探针一般都是用 0.5 mm 的钨丝，于 KOH 或 NaOH 溶液中，以电化学的方法，蚀刻出直径约几百埃的针尖。若欲扫描出高解析度的影像，通常会在扫描前先对探针施加瞬时的强电场，以改变针尖结构。

3. 步进器：由理论得知，若要取得穿隧电流值，需让探针与样品的间距约在数埃之间才能发生，这样的距离无法用肉眼与双手控制达到；一般以电脑控制步进器，以达到可以探测穿隧电流的距离。因此步进器须具有步距约 1000埃 的功能，且具有几千赫兹的步进频率，以节省步进时间。依驱动的方式可分为齿轮式、尺蠖式及滑动式等。

4. 前置放大器：由原理可知，探测到的穿隧电流很小，若要作为回馈讯号，必须先将其放大，故都会加装一低杂讯操作型放大器。

5. 电子及控制系统：该部分含回馈电路及电脑介面。回馈电路主要是当接收到穿隧电流值后，可以依设定的扫描模式，驱动接在扫描头上之 z 轴电压源，以控制扫描过程中探针与样品的间距。电脑介面则是以多个数位／类比及类比／数位转换器组合而成，并连通电脑，以利操作者控制、调整扫描装置和扫描流程。

6. 电脑：电脑为操作者主要接触的部分。其在扫描流程中的功能包含执行控制、调整、即时显像等；而在显像后还有影像储存、修改模式、分析、处理等功能。
另外，因为扫描穿隧式显微镜很敏感也易受干扰，所以需要避震装置架起整座仪器，以屏蔽不同频率的震动，使电子穿隧间距稳定，扫描影像才会清晰。常用的避震材料为金属弹簧或橡皮垫，并配合阻滞装置来使用。

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