第一章表面分析的基本概念.docx

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1、第一章表面分析的基本概念皿什麽是表面分析技淅？分析技淅的最重要觐念，是虢是拢那事来。若能控制量测的是优材料表面来的，此分析就是表面分析技淅。冏题是蹄表面原子)B多深的虢仍然算是表面s，殿格来，只有来自表面最外Ja原子的三乱虢才可表面虢。但除上，彳处表面2/1原子取得的虢可视J表面誉虢逃雕深度(signalescapedepth)比2Ji原子深，才视Jbulk。J什麽道檄定羲呢？理由有二：(1)表面最外2Ji原子的排列方式典较深Ji原子的排列方式不同，(2)表面最外2Ji原子的甯子结横(electronicstructure)Wbulk的霜子结情不同。以此觐黠，似乎可符材料表面东田分卷二，一是表

2、面2/i原子所横成的近似丽度空的薄/；二是表面Jg以下的bulk材料。道槿分法，是一槿麓化的二分法，事上表面最外2/1原子的原子和霜子结情36不相同。以GaAS(IIO)表面J例鼠地、L02，最外)的Ga和As原子重&且，有曲(Buckling)垣象，最外第2JgGa和AS原子也有微量的曲现象。而第三Ji原子大致舆深;1原子的排列相同。最常用的洌量技淅以洌!光子港隹子和重子悬主胤。光子在材料的穿透深度(Penetrationdepth)和虢逃胃隹深度，舆光子波晨和材料槿有，一般都逮大於IOoO埃，因此光子舆有在掠角入射(grazingangleincidence；光子路舆平面夹角条勺小於4度)

3、日寺，才能取得表面RS,例如X-rayGrazingangleincidence技旗亍就是利用掠角入射取得表面虢。蹄子在材料的穿透深度(penetrationdepth)取决於蹄子能量和蹄子入射角度的大小。因表面分析的虢在乎虢彳他那裹来，此只舆虢逃蹄深度的大小有麻J，典穿透深度大致辗信目。一般而言,只有表面最外眉原子能彳处表面逃逸，因此利用蹄子来俱汨!1表面状憩是非常SurfaceSensitive，例如二次蹄子普倭(SecondaryIonMassSpectroscopy)技彳桁就是利用自表面逃逸的二次蹄子(secondaryion)取得表面言乱虢。甯子在材料的穿透深度(penetratio

4、ndepth)和逃蹄深度，典甯子能量有麻1，和材料辗海!。果示，富甯子能量在50-100eV曰寺，甯子的逃雕深度埃，也就是雨原子厚度，常甯子能量增高;500eV曰寺，甯子的逃雕深度幺勺10埃，也就是四唇原子厚度。e,H1-12UniversalCUrVe因此逗取不同能量的甯子常作虢源，可取得来自不同表面深度的资言乱,典型的例子有(1)图桀甯子能吉普fit(Augerelectronspectroscopy)和(2)低能量甯子射倭(Lowenergyelectrondiffraction)，都是表面敏感高(SurfaceSensitive)的分析技常用表面分析测量技街，不外是以光子、蹄子或甯子入

5、射，再测量光子、蹄子或甯子圈103。每一槿B合都可能是一槿或多槿表面分析技施i，聚例来g，以重子入射测量甯子的表面分析技淅有低能量甯子射倭(LEED)、反射式高能量甯子射倭(RHEED)、描瞄式桀霜子能倭(SAM)等；以光子入射测量甯子的表面分析技裱亍有X光光散射倭(XPS；ESCA)、紫外光霜子散射倭(UPS)、表面X光吸收微/荀翔羲(SEXAFS)等。有信昌道些技征亍的介貂，考第二、三、四章。1-2材料表面的生命期乾浮的材料表面在1E-6Torr真空中、1秒曾吸附一Jg氯醴分子，:瞬方便言十算氯醴吸附量，耦此量1L(1Langmuir)。依此可知在IE-IoTOrr真空下，材料表面在1E4

6、秒(名勺2小畤50分)彳爰，曾吸附一J氯醴分子。通常在抽真空畴，曾先用若氮氯PUrging，若其触度99.9%，在IE-IoTOrr真空下的氧和氮比可曾里估言十;焉1:1000，若定羲0.1%的氧覆盖（coverage）葡于染，假Ig氧和氮f基材的吸附能力相同，即在IE-IOTOrr真空下，乾浮的材料表面的生命期冬勺只有2小日寺50分。因所有的分析都需在生命期内完成，材料表面的生命期越是越好。率例来a，常真空度只有IE-9TorrH寺，其生命期余勺17分，一般取数獴的畤都比道久，IE-9Torr的真空度是不合乎需求的。1-3超高真空技裱亍使用超高真空技怵亍是表面分析倭器的必然趣势，因合宜的材料

7、表面的生命期/勺10小日寺，此日寺需1E1OTorr至1E_11Torr的超高真空。此外，表面分析倭器常使用的高霜屋也需在比1E_8Torr好的真空璟境下使用。超高真空技循亍是一套方法可腔彳隹760Torr（等於1atm）抽至IE-IOTorr以下。常用的是用淌浦系统（Turbostation；浦系统包括檄械落浦以及涡翰落浦雨械）腔优760Toit（等於1atm）抽至IE-6Torr左右,再行bake-out程序,bake-out的作方式是腔加热到东勺180度，在此温度下用符吸附在腔的氟Il用3浦系统大量抽出数小畤（或数十小畴，此依脓腔大小以及乾浮程度;夬定），最彼在冷谷四寺居同浦系统打蹄子落

8、浦系统如此可符胃瞬腔抽至IE-IOTorr以下。要注意的是在腔的温度尚在高温B寺,得outgas一些filament、移勤一些檄械傅S装置，符多於的吸附氯lS出，如此真空度曾更好。有超高真空技怵亍的述很多唁羊黜的浦作用原理以及械械情造参考迤深BQg耆目。1-4量汨崎H虢的分不同的表面分析技淅，曾量洌J不同的迅虢源，一般而言，常用量测的虢源有光子、蹄子以及甯子圜上11。其中光子因穿透深度以及虢逃雕深度都很大，较少用。雕子因具有高值洌敏度、高解析度以及高表面索敏性(SUrfaCeSenSitiVe)，是理想的表面分析虢源，用於在二次蹄子倭(SIMS)分析技街。因重子有表面索敏性、高解析度、以及制1

9、虢易虞理等僵黠，最常见常作表面分析技街的虢源。1-5甯子量测的量测测光子、蹄子、霜子的器(OptiCS)考殳於十完全不同，甚至测量同一槿虢源的檄器也有非常多槿声殳言十，造成测量槿多檬化的原因有二，(一)测量方式因洌J量目襟不同而昇，(二)意殳言十别的测量方式以便避UH惠利榷。有典趣者参考相耆目或上媚查事利资料IS。下面只曾介测量霜子虢的方式典演迤：最早而且持扮演测量重子虢的侦测器是低能量重子射倭(LEED)所探用的4gridLEEDQpticsMl-04，此槿言殳言十可用来轨行低能量重子射以及Auger重子能。但用4gridLEEDOptics取得的AugerR虢雄者我比(S/Nratio)很

10、差Ml-05。早期J得到比较好的S/N比，在轨行Auger改用CMA重子能量量测器来量测。CMA重子能量量测器是PerkimElmer公司的惠利，在彝展的遇程中，因卷要提升能量解析度5方便用来洌JESCA的甯:子能，PerkimElmei樊展出DoublePassCMAQpticsMl-07，此槿量测装置SS提升能量解析度珀J曦牲了停刊虢强度不利作影像分析源此早期的分析系统常同畤配有CMA和DoublePassCMAOptics以便同B寺迤行Auger以及ESCA量测，例如某些PHI590檄型就有道ISI+。雌然DoublePassCMAOptics可大幅改善CMA的能量解析度，但其重子能量解

11、析度逮不如HemisphericalEnergyAnalyzer或SphericalEnergyAnalyzer（目前余勺可逢15meV），因HemisphericalEnergyAnalvzer或SphericalEnergyAnalyzer的事利榴爵於VG（VacuumGenerator）,PerkimElmer公司S知DoublePassCMAOptics的甯子能量解析度仍不多句好，在八十年代只能探取樊展DoublePassCMA的策略。目前PHI（原於PerkimElmer）的ESCA系幺充已放SDoublePassCMA的言十改排用SphericalEnergyAnalyZer，其A

12、uger系统也更改CMA的言十，放粢Doublepass的言十理念，回到Singlepass架横，彝展出以增加虢弓拿度卷主的FieldEmissionCMA，此槿t言十因速度快，有利於作AUger影像分析，遹合半醇醴渠用途，例如PHI670xi就是非常成功的檄型，深受半簿醴融喜爱。1-6表面分析技裱亍的分表面分析技淅依使用者来分，大略分成丽类真，一是较具用性，科技公司曾探PS。此倭器有国奸桀霜子能倭以及X光光甯子能倭以及二次蹄子倭。道三槿倭器因常分析除崖品，量测的表面不需要是乾浮的军晶表面，想取得的WB彳寺测的表面原子是那彳固元素？有没有氧化？有没有典别元素反鹰?其中金肖售由交好的商渠檄器是欧

13、傣重子能g倭以及X光光霜子能含普倭，二次胃隹子倭售慎较贵，帛肖售量较不普遍。常然造些檄器也可孰行擘淅性的研究题目，是阜、研究檄情的重要分析利器。另一较具擘淅性，事F另提供需深入探言寸表面性的研究倩，一般科技公司很少Iw置。此倭器有低能量鬣子射，反射式高能量重子射,捕瞄式探金十微,表面X光吸收微尔熊吉横,角解析光霜子散射倭等。研究的封象是乾浮的里晶表面以及表面上的的各槿反Jg，如此取得的虢敕易舆理言十算比较。在道份教材中，我符表面分析技怵亍按照其使用功能分类直，分J撷取化、撷取原子幺吉横、撷取甯子等三倭器，道槿分的目的是要以不同的表面分析技街，来明表面分析技淅已可取得（一）原子槿、原子化擘状熊等化擘、（二）原子排列、原子移等原子结、（三）甯子能量、霜子晶格S量（crystalmomentum）、甚至重子自旋特性（electronspin）等甯子幺吉情资?Fl。表面分析技淅是一FE重要而且仍在持展中的科技技淅，在物理、化、材料、甯檄、化工等令酊或都很重要，表面分析技裱亍的槿很多，在道教材中，只介貂常用的分析技裱亍，若者有典趣知道更多其他分析技淅的青参考V表面分析技淅名穗目，再自行收集资料ROg。