目前掃描探針顯微鏡已被廣泛地使用在觀察樣品表面的各種原子級及奈米級特性。本實驗室採用SPA-300 掃描探針顯微儀(Seiko Instruments, Inc.)可以被廣泛的運用在測量原子力、電力、磁力、摩擦力、表面電位、穿隧電流以及用來進行奈米微影術。在目前的研究中，我們將重心放在表面電場測量、靜電荷操控及奈米微影術的研究等方面。

圖1. SPA-300掃描探針顯微儀及其周邊設備。

Ⅰ.先進的表面電場測量

　　目前，表面電場測量的主要難題是在於如何取得高解析長程作用力的影像而不受短程作用力及有限空間解析度的影響。這個問題在傳統的靜電力顯微儀(Electrostatic Force Microscope, EFM) 及磁力顯微儀 (Magnetic Force Microscope, MFM)所採用的圓錐型及角錐型探針方面更為嚴重，而奈米碳管材料可以提供為很好的探針針尖以解決這個問題。我們使用特別設計的場發射掃描電子顯微鏡（Field-Emission Scanning Electron Microscope，SEM）將單根的多層奈米碳管放在市面上可以買到的EFM探針上（本身使用高摻雜的矽製作，此外整個探針外層又再鍍一層PtIr以增加導電性）。為了獲得由CNT碳針所得的最佳解析度EFM影像，我們在Si3N4 薄膜上等間隔的用±10V的電壓脈衝製成帶正、負電間隔的區域（包覆PtIr的矽探針為 1-毫秒間隔，CNT碳針為1-秒間隔），電壓脈衝加在導電探針及p-type的矽基板之間，比較結果如圖2.所示。

圖2. 比較使用一般探針與CNT探針來偵測氮化矽薄膜中靜電荷分佈的影像。(a)、(d)為AFM表面形貌，其餘為EFM電荷影像。每張圖的比例尺都為50nm。圖(a), (b), (c)使用的探針為包覆PtIr的矽探針，圖(d), (e), (f)使用CNT探針（每張圖的大小都是相同的，並在高真空環境中所取得）。

Ⅱ.利用靜電奈米圖樣控制膠體奈米粒子

　　利用掃描電荷微影術（Scanning Charge Lithography, SCL），我們可以利用在表面上被侷陷的電子與電洞產生複雜的電荷圖樣，其中可包含線、圓及點等電荷圖樣。並且可以在不需要影響樣品表面形貌下很容易的在 Si3N4/SiO2/Si (Nitride-Oxide-Silicon, NOS)上書寫及抹去電荷（圖3a.）。基於這種性質，SCL可以用來產生各式的二維電芍圖形（如圖3b.所示）。這些特性在控制及選擇性吸附帶電或可被極化奈米粒子的應用領域是非常有用的。

圖3.(a) EFM影像顯示利用Sequential寫入及清除電荷所形成的電荷圖樣。(b)利用正電荷及負電荷交錯寫入所製成的各式圖樣。比例尺為1μm。

圖4a.為吸附溶在甲苯溶液中且被十二碳硫醇包覆的金膠體奈米粒子的三個步驟。第一步，我們利用EFM在高真空環境中製作電荷圖樣。第二步，我們將局部帶負電圖樣的樣品，從EFM真空腔中拿出，立即浸泡在內有硫醇修飾過之金奈米粒子的甲苯溶液中。第三步，將樣品從溶液中拿出，立即浸泡在去離子水中。我們可以發現表面帶負電的區域會吸引被十二碳硫醇包覆的金膠體奈米粒子，而表面帶正電的區域則不會有粒子吸附在上。 圖4. (a) 利用在NOS上之靜電圖樣選擇吸附甲苯溶液中的金膠體奈米粒子的三個步驟。(b) 樣品上吸附金奈米粒子的3D-AFM影像。(c) 樣品上吸附金奈米粒子的橫截面。(d) 被選擇吸附的CdSe/ZnS 核心/殼層 (Core/Shell)奈米粒子之AFM影像。

Ⅲ.利用掃描探針顯微術製作光學微透鏡

　　此製作流程是首先以AFM針尖在目標區域掃描出灰階氧化物圖案，AFM控制器在掃描時同步傳送一個電壓脈衝去啟動氧化電壓控制器。此時，氧化電壓控制器會輸出一連串的氧化電壓到Si(100)基板上。這一連串可在表面形成氧化圖形的電壓訊號已經事先被儲存在氧化電壓控制器內。圖6.顯示一個由此方法製作的3×3微透鏡排列(矽結構)及對應的微透鏡光學影像。

圖5. (a)使用掃描探針灰階氧化及非等向性乾式蝕刻技術製作矽微透鏡的過程。此圖樣轉換比例為H/h.。(b)在應用氧化電壓的過程中，掃描氧化電壓與探針位置以方程式V(x,y)表示。(c)在進行完成氧化電壓氧化及經過RIE蝕刻後的矽微透鏡的AFM剖面影像。

圖6. (a) 3×3微透鏡排列的SEM影像。微透鏡表面的平均粗糙程度大約是1 nm（利用AFM測量）。(b) 特別設計的矽結構的SEM影像，顯示製作任意形狀微透鏡的能力。(c)直徑8-m 13微透鏡列的焦距面，此為紅外線(0.7-2.2 m 波長範圍)之光學影像。

1. S.-D. Tzeng, C.-L. Wu, Y.-C. You, T. T. Chen, S. Gwo, and H. Tokumoto, Appl. Phys. Lett., 81, 5042, (2002).
2. C.-F. Chen, S.-D. Tzeng, H.-Y. Chen, and S. Gwo, Opt. Lett., 30, 652, (2005).
3. S.-D. Tzeng, K.-J. Lin, J.-C. Hu, L.-J. Chen, and S. Gwo, Adv. Mater. 18, 1147, (2006).