第一章表面分析的基本概念

第一章表面分析的基本概念1-1什麽是表面分析技彳而？分析技彳析的最重要觐念，是^虢是拢那事来若能控制量测的^虢是彳定材料表面来的，此分析就是表面分析技御亍冏题是雕表面原子JS多深的虢仍然算是表面，殿格来^，只有来自表面最外11原子的言乱虢才可视;M表面^虢但^除上，彳於表面2Jf原子取得的^虢可视卷表面^虢虢逃离隹深度（signalescapedepth）比2Jf原子深，才视;Mbulk:M什麽道檬定羲呢？理由有二

（1）表面最外2Jf原子的排列方式典较深;1原子的排列方式不同，

（2）表面最外2Jf原子的霜子《吉横（electronicstructure）舆bulk的霜子女吉横不同以此觐黠，似乎可符材料表面东田分卷二，一是表面2）1原子所横成的近似雨度空^的薄）1；二是表面J1以下的bulk材料道槿分法，是一槿曾化的二分法，事^上表面最外2）1原子的原子和甯子东吉横旋不相同以62人5

（110）表面^例＜圜上

01、1-02〉5最外的Ga和As原子重名且5有^曲（Buckling）现象，最外第2JIGa和As原子也有微量的曲现象而第三JI原子大致舆深JS原子的排列相同最常用的测量技循亍以测光子、离隹子和雷:子卷主＜!«1-03＞光子在材料的穿透深度（penetrationdepth）和言孔虢逃蹄深度，舆光子波晨和材料不重^有信昌，一般都^大於1000埃5因此光子典有在掠角入射（grazingangleincidence；光子路彳笃舆平面夹角/勺小於4度）日寺5才能取得表面言乱虢5例如X-rayGrazingangleincidence技彳而就是利用掠角入射取得表面蹄子在材料的穿透深度（penetrationdepth）取:夬於高隹子能量和蹄子入射角度的大小因表面分析的^虢在乎^虢拢那事来，此只典^虢逃雕深度的大小有信昌，舆穿透深度大致^^一般而言，只有表面最外JS原子能彳能表面逃逸，因此利用雕子来侦测表面状熊是非常SurfaceSensitive，例如二次雕子^吉普倭SecondaryIonMassSpectroscopy技循亍就是利用自表面逃逸的二次离隹子secondaiyion取得表面多乱虢镶子在材料的穿透深度penetrationdepth和逃蹄深度，舆雷:子能量有^，和材料槿^果^示，富富:子能量在〜50-100eV日寺，甯子的逃蹄深度名勺5埃，也就是雨Jf原子厚度，富甯子能量增高^~500eV日寺，甯子的逃蹄深度名勺10埃，也就是四JS原子厚度1-12UniversalCurve〉因此逗取不同能量的霜子富作^虢源，可取得来自不同表面深度的资音刊，典型的例子有1欧彳桀甯子能考普倭Augerelectronspectroscopy和2低能量重子^射倭Lowenergyelectrondiffraction嘟是表面敏感高SurfaceSensitive的分析技循f常用表面分析测量技淅，不外是以光子、蹄子或雷:子入射，再冽I量光子、雕子或雷:子＜111-03〉每一槿^合都可能是一槿或多槿表面分析技彷亍，聚例来者兑，以甯:子入射测量甯子的表面分析技彳而有低能量甯子^射倭LEED、反射式高能量甯子^射倭RHEED、捕瞄式欧彳桀甯:子能^倭SAM等；以光子入射测量甯子的表面分析技彳而有X光光散射倭XPS；ESCA、紫外光甯子散射倭UPS、表面X光吸收微《曜苗割羲SEXAFS等有信昌道些技优亍的介貂，考第

二、

三、四章1-2材料表面的生命期乾浮的材料表面在IE-6Torr真空中、1秒^曾吸附一JS氟醴分子，^方便言十算氟醴吸附量穗此量卷1L1Langmuir依此可知在IE-10Torr真空下材料表面在1E4秒女勺2小日寺50分彼，曾吸附一11氟醴分子通常在抽真空日寺，曾先用若氯氟purging，若其触度卷

99.9%，在IE-10Torr真空下的氧和氮比可曾军估言十^1:1000，若定羲

0.1%的氧覆盖（coverage）版于染，假^氧和氮封基材的吸附能力相同，即在IE-10Torr真空下，乾浮的材料表面的生命期右勺只有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聚例来者兑，富真空度只有IE-9Toit日寺，其生命期女勺17分^，一般取数撼的日寺^都比道久，IE-9Torr的真空度是不合乎^^需求的1-3超高真空技彳而使用超高真空技力忻是表面分析倭器的必然趣势，因合宜的材料表面的生命期名勺10小日寺，此日寺需IE-10Toit至IE-11Torr的超高真空此外，表面分析倭器常使用的高甯屋也需在比IE-8Torr好的真空璟境下使用超高真空技淅是一套方法可腔彳於760Torr（等於1atm）抽至IE-10Torr以下常用的是用^^落浦系统（Turbostation；翰落浦系统包括檄械浦以及涸j翰落浦雨檄）符置瞬腔优760Torr（等於1atm）抽至IE-6Torr左右，再轨行bake-out程序，bake-out的作方式是^^^腔加热到《勺180度，在此温度下用符吸附在^^腔的氯用^^浦系统大量抽出数小畤（或数十小畤，此依^^腔大小以及乾浮程度决定），最彼在冷谷四寺居曷朗涡翰落浦系统，打^翳隹子落浦系统如此可腔抽至1E-10Torr以下要注意的是在^^腔的温度尚在高温日寺，得outgas一些filament、移勤一些檄械僖勤装置，符多於的吸附氧If程出，如此真空度曾更好有居曷超高真空技优亍的^述很多，辞冬田的落浦作用原理以及械械情造参考〈逼锢霞且°1-4量洌信朗虎的分^不同的表面分析技循亍，曾量测不同的迅虢源，一般而言，常用量测的源有光子、离隹子以及甯子＜B11-11〉其中光子因穿透深度以及^虢逃雕深度都很大嶂交少用碉隹子因具有高值测霆敏度、高解析度以及高表面霆敏性surfacesensitive，是理想的表面分析^虢源，用於在二次离隹子^福普倭SIMS分析技优亍因重子有表面索敏性、高解析度、以及副1虢易虞理等僵黠，最常见常作表面分析技彳你的虢源1-5雷:子量测的量测测光子、蹄子、甯子的檄器Optics音殳言十完全不同，甚至测量同一槿^虢源的檄器也有非常多本重^言十，造成测量槿^多檬化的原因有二，一测量方式因测量目檄不同而臭，二1殳音十别的测量方式以便避^事利有典趣者^参考相居哥害目或上京罔查事利资料下面只曾介测量甯子^虢的方式典演迤最早而且持^扮演测量霜子^虢的侦测器是低能量甯子^射倭LEED所探用的4gridLEEDOptics＜fflb04＞，此不重言殳言十可用来轨行低能量重:子^射^^以及Auger重子能丸普置瞬但用4gridLEEDOptics取得的Auge嗓乱虢泵管R比S/Nratio很差＜IB1-05〉早期卷得到比敕好的S/N比，在轨行Auger亶瞬改用CMA甯:子能量量测器来量测CMA甯子能量量冽I器是PerkimElmer公司的事利，在彝展的谩程中，因^要提升能量解析度，方便用来冽IESCA的雷:子能有普，PerkimElmer赞展出DoublePassCMAOptics＜IBl-07＞，此本重量冽黑置it提升能量解析度5谷口中羲牲了弓鱼度不利作影像分析因此早期的分析系统常同畴配有CMA和DoublePassCMAOptics以便同日寺迤行Auger以及ESCA量测，例如某些PHI590檄型就有道雎然DoublePassCMAOptics可大幅改善CMA的能量解析度，但其甯子能量解析度速不如HemisphericalEnergyAnalyzer或SphericalEnergyAnalyzer（目前条勺可逵15meV因HemisphericalEnergyAnalyzerH1-

09、1-10〉或SphericalEnergyAnalyzer的事利I瞿^於VGVacuumGenerator，PerkimElmer公司®t知DoublePassCMAOptics的雷;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原禄^於PerkimElmer的ESCA系统已放粢DoublePassCMA的言殳言十改探用SphericalEnergyAnalyzer5其Auger系4充也更改CMA的言殳言十，放粢Doublepass的言殳言十理念，回到Singlepass架横，彝展出以增加^虢弓金度悬主的FieldEmissionCMAH1-08，此不重言殳言十因速度快，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，深受半醇醴摩喜爱1-6表面分析技彳而的分类直表面分析技彷亍依使用者来分^，大略分成雨类直，一^是较具^用性，科技公司曾探瞒此^倭器有H饵桀霜子能^倭以及X光光甯子能^倭以及二次高隹子倭道三槿倭器因常分析除羟品，量测的表面不需要是乾浮的罩晶表面，想取得的待测的表面原子是那彳固元素有没有氧化？有没有舆别元素反愿其中生肖售较好的商渠檄器是H奸桀霜子能^倭以及X光光甯子能^倭，二次爵隹子^吉普倭售，节肖售量敕不普遍常然造些檄器也可孰行擘怵亍性的研究题目，是擘彳而、研究檄情的重要分析利器另一^较具擘彳而性，寡咒提供需深入探洋寸表面性^的研究^^一般科技公司很少晴置此类剧羲器有低能量重子^射，反射式高能量甯:子^射，捕瞄式探金十^微，表面X光吸收微尔燃科菁角解析光霜子散射倭等研究的封象是乾浮的罩晶表面以及表面上的的各槿反，如此取得的言乱虢敕易典理^言十算比敕在道份教材中，我招表面分析技优亍按照其使用功能分类直，分卷撷取化擘资者礼、撷取原子结横、撷取甯:子结情资多冗等三类剧羲器，道槿分^的目的是要以不同的表面分析技彳而，明表面分析技彷亍已可取得

（一）原子槿类真、原子化擘状熊等化擘WIH、

（二）原子排列、原子移勤等原子结情瓷言刊、

（三）霜子能量、雷:子晶格勤量（crystalmomentum）、甚至甯子自旋特性（electronspin）等霜子々吉木苗资表面分析技彳析是一力重要而且仍在持^展中的科技技彳而，在物理、化擘、材料、重檄、化工等令团或都很重要，表面分析技街的槿类询艮多，在道教材中，只介貂常用的分析技彳而，若^者有典趣知道更多其他分析技淅的^^，^参考＜表面分析技彳桁名耦目金条〉，再自行收集资料。