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研究生: 吳俊毅
Chun-Yi Wu
論文名稱: 單原子尖度金字塔形鎢針的結構與應用之研究
The structures and applications of single atom pyramidal W tip
指導教授: 傅祖怡
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 金字塔場離子顯微鏡晶面轉換單原子針尖探針製備蝕刻
英文關鍵詞: pyramid, FIM, tip
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:243下載:10
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  • 在此研究中,我們舖覆白金原子於鎢針表面,並加熱至約1000K,成功於W(111)位置成長金字塔形單原子針尖。我們發現兩種金字塔形單原子針尖結構,分別是針尖由上往下排列為一顆、三顆、十顆與一顆、六顆、十五顆兩種類型,也利用原子間的蒸發場差異發現其乃由基底原子在內部形成的金字塔形排列並在其外覆以白金原子所構成。我們也發現並解釋金字塔形針尖的上層原子排列與整體金字塔形排列有些許角度上的偏差,另外也研究單原子針尖無法在太鈍的針上形成的原因。在應用方面,我們提出了新型針尖蝕刻法與利用電鍍方式於鎢針上覆鈀,使其能適用於大量製造掃描穿隧顯微鏡的探針。另外,金字塔形結構的場發射研究發現F-N plot 分析中斜率的減少,很可能是電子共振穿隧所造成。

    Depositing Pt atoms then annealing at 1000K can create single-atom sharp pyramidal W tips wrapped in a Pt overlayer. There are two types of single atom pyramidal tip structures. One we named type 1, which constituted with 1, 3, and 10 atoms from top to bottom layers. The other we named type 2, which constituted with 1, 6, and 15 atoms from top to bottom layers. The atom arrangements of pyramidal structure are determined to be inner W atoms covered with one-monolayer Pt atoms by the differences of the field evaporation resistive between Pt and W atoms. Additionally, we explained the angle deflection between the top three atoms and the whole pyramid. We also study why single atom can’t be grown on too blunt tip. In applications, a new etching and electrochemical deposition method was suggested. Therefore, the single atom tip, which is proper for STM probe, may be produced routinely. Moreover, the F-N plots of field emission of the pyramidal structure show the slope reduction. It may be due to the electron resonant tunneling effect.

    第一章 簡介 1-1 研究金字塔與其應用之動機………………………………1 1-2 使用場離子顯微鏡研究的好處……………………………3 1-3 金字塔的相關研究…………………………………………4 (一)金字塔的特性…………………..………………….…...4 (二)金字塔成長之相關解釋………….…….………………5 (三)原子級針尖之場發射研究……………………..………8 第二章 儀器裝置與原理 2-1 場離子顯微鏡(FIM)……………..…………………………11 (一)場離子顯微鏡成像原理…………………………...…..11 1.簡介……………………………………………………11 2.場離子影像……………………………………………12 3.場離子化原理…………………………………………15 4.場蒸發與場退吸附原理………………………………16 (二)儀器構造………………………………………….……17 1.真空裝置…………………………………………..…...17 2.成像系統……………………………………..…..…...18 (a)成像氣體……………………………………..…...19 (b)光電倍增板……………………………………….19 3.影像的紀錄…………………………………………….22 4.高電壓源…………………………………….…………22 5.低溫裝置…………………………….…………………23 6.蒸渡裝置……………………………………………….23 2-2 場發射顯微鏡(FEM) ………………………………...……25 (一)場發射的理論…………………………………………25 1.場發射…………………………………………………25 2.Fowler-Nordheim 公式(場發射公式)…………...……26 (二)儀器裝置………………………………….………..…..28 2-3 場離子影像說明…………………………….….….………29 第三章 樣品製備 3-1 ㄇ形針架的製備………………………………….…….….33 3-2 針尖的製備法…..………………….………………………33 (一)傳統漸尖形針尖樣品...…………………………...…..35 (二)突尖形針尖樣品………………………………….…...36 (三)改良型針尖樣品……………………………….……...38 3-3 電鍍法……………………………….……………………..42 第四章 實驗結果與討論 4-1 白金(Pt)原子於W(111)面上誘發之金字塔成長……..…..44 (一)場離子顯微鏡下觀察金字塔的成長.……………..….44 (二)利用原子的游離能差異分析鎢與白金的排列狀態....53 4-2 改良型針尖覆Pd之金字塔成長………………………….57 (一)多晶鎢針尖樣品覆Pd之金字塔成長…………..…..59 (二)單晶W(111)軸向針尖樣品覆Pd之金字塔成長..….62 4-3 利用電鍍法覆Pd於改良型針尖之金字塔成長………....64 (一)第一次電鍍法覆Pd樣品之金字塔成長..…………..66 (二)第二次電鍍法覆Pd樣品之金字塔成長..…………..69 4-4 超大金字塔的成長………….………………………….…71 4-5 金字塔的其他現象………….…………………………….73 (一)類型一金字塔第二層原子排列問題..……………….73 (二)類型二金字塔第二層原子排列問題..……………….75 4-6 覆Pd鎢針的場發射研究………………………………...76 (一)未成長金字塔之覆Pd鎢針的場發射性質…………76 1. I-V圖與F-N plot……………………………….…76 2.覆Pd樣品場發射的穩定性…………………….….78 (二)覆Pd鎢針成長金字塔之場發射性質………………79 1. 金字塔的場發射影像………………………….…79 2. I-V圖與F-N plot……………………………….…81 第五章 結論…………………………………………………….…83 參考資料………………………………………………………..…...86

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