第四章 實驗數據與討論
4.2 在銀鍺多重介面上成長鎳原子島
當已確認好表面的重構時，用蒸鍍鎗鍍上 0.2ML 的鎳原子於表面 上，之後藉由加熱退火的實驗，了解原子島的聚集行為。
4.2.1 在室溫下蒸鍍鎳於銀鍺表面
在室溫下蒸鍍 0.2ML 的鎳於銀鍺表面，用 STM 觀測樣品表面上鎳 原子的分布情形，如圖 4.2.1。
由圖 4.2.1 中可發現，鎳原子團的形狀大小各不盡相同。在鍺 (111)-c(2×8)上的鎳原子，其平均直徑約有 1 至 1.5nm 寬，而在銀/鍺 (111)-(√3×√3)和銀/鍺(111)-(4×4)上的鎳原子團，其平均直徑皆小 於 1nm。另外從形狀大小來觀察，在鍺(111)-c(2×8)上的原子團是較大 型的，其他兩基底上的原子團是較小或是無法判斷。
相較於此，在室溫下，推測在鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子可能已 經開始與鍺原子發生合金，在銀鍺基底上的鎳原子目前看不出變化情 形。
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圖 4.2.1 蒸鍍 0.2ML 鎳原子於表面上
(A)鎳原子散亂分布於表面上，60×60nm2，+1.5V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子團
(C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子團 (D)銀/鍺(111)-(4×4)上的鎳原子團 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2
圖 5.2-1 室溫時，鎳原子的分 佈情形，60×60nm2，1.5V
(C)
(B)
(D) (A)
B
C
D
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4.2.2 加熱至 370 K
繼續加熱樣品到 370K，原子團於此溫度下並無大幅度的改變，如 圖 4.2.2(A)。在純鍺的基底面下可見零星的點缺陷[37-38]，與之前未 鍍鎳的基底有所差別，推測這是鎳與鍺經過交互作用(interaction)形 成的結果。
觀看單一原子團的平均大小，從圖 4.2.2(B)(C)(D)中，很明顯的 是在 c(2×8)上的島是最大，再來是在(4×4)上的島，最小的是在(√3×
√3)的島。但比較單位面積的數量則是(√3×√3)的數量最多，(4×4) 的數量次之，c(2×8)則最少。基於這項觀察，這些原子團到底在這些 切面上有沒有喜好性的不同，在後面的章節會有更定量的分析。
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圖 4.2.2 在 370K 下鎳原子的分佈
(A)在各基底上鎳原子之 STM 圖，60×60nm2，+1.0V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子
(C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子 (D)銀/鍺(111)- (4×4)上的鎳原子 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2 圖 5.2-2 在 370K 下鎳原子的
分佈，60×60nm2，+0.7V
(C) (D)
(B) B
D
(A)
C B
D
60
4.2.3 加熱至 470 K
繼續加熱樣品至 470K，如圖 4.2.3(A)所示。在之前的研究中[10]，
在鎳鍺系統裡此溫度下會有週期性結構，但在此系統的各個基底表面 上未發現有週期性結構。另外在銀/鍺(111)-(4×4)上的原子團皆座落 在(4×4)重構之單位晶胞(unit cell)的銀原子上方。理由是因為原子 團的周圍佈滿亮點，又在 empty state 中，鍺原子在(4×4)重構的影像 裡是比較亮，而銀原子是比較暗[34]，因此判定落在銀原子上方，見 圖 4.2-3(E)(F)。
在銀/鍺(111)-(√3×√3)上已有少部分的鎳原子團慢慢聚集，
但多數依舊是散落各地，可想而知，在此溫度下僅有極少數的原子團 有移動的能量。
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圖 4.2.3 在 470K 下鎳原子的分佈
(A)在各基底上鎳原子之 STM 圖，60×60nm2，+1.2V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子 (C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子 (D)銀/鍺(111)-(4×4)上的鎳原子 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2
(E)鎳原子站在(4×4)的銀原子上方，7×7nm2 (F)鎳在(4×4)上的可能位置之模擬圖 鎳
(E)
(B)
(C) B
D C
(A)
(D) E
[11̅0]
[112̅]
(F)
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4.2.4 加熱至 520 K
繼續加熱樣品至 520K，如圖 4.2.4。從圖 4.2.4(A)發現，當原子 團聚集成長時，銀/鍺-(4×4)和(√3×√3)的基底是完整平坦，唯有純 鍺基底 c(2×8)的結構有部分是破壞或是出現缺陷。
從圖 4.2.4，缺陷的數目在各地處的數量皆不相同：零個至多個不 等，而且當距離銀/鍺-(4×4)和(√3×√3)的基底越遠的地方，其出現 凹陷的數目越少，意味著在銀/鍺-(4×4)和(√3×√3)之基底上的原子 團是鎳從較近的純鍺基底的鍺原子來形成合金，成長在銀/鍺-(4×4)和 (√3×√3)的基底上。
圖 4.2.4 在 520K 下鎳原子的分佈
(A)在各基底上鎳原子之 STM 圖，60×60nm2，+1.0V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子 (C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子 (D)銀/鍺(111)-(4×4)上的鎳原子 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2
(C) (D) (A (B
B
D C
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4.2.5 加熱至 570 K
繼續加熱樣品至 570K，如圖 4.2.5。其顯示原子團之大小約略變 大，統計後的平均面積( 島的面積和
此圖之面積大小×島的個數)相較於剛鍍上鎳原子時的 一至一點五倍間，但未有週期性結構或特殊結構。然而觀察各原子團 在各基底的分布情形，發現銀/鍺(111)-(4×4)之重構的中央部分並無 任何的原子島，暴露出清晰的原始晶胞；反觀鍺(111)-c(2×8)和銀/鍺 -(√3×√3)之重構上的原子島是散亂分布，毫無規則性的。
圖 4.2.5 在 570K 下鎳原子的分佈
(A)在各基底上鎳原子之 STM 圖，60×60nm2，+1.3V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子團 (C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子團 (D)鎳原子團在(4×4)和 c(2×8)的交接處 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2
(B)
(C) (D)
(A) B
C
D
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4.2.6 加熱至 600 K
繼續加熱樣品至 600K，如圖 4.2.6。每個原子團的面積逐漸變大 但數量逐漸減少，形狀有趨向六角形的形狀。逐一分析的結果，在這 些原子島上並無特別的亮點，即無週期性結構。
比起在 570K 的時候，在 c(2×8)上的鎳原子團在形成大島的趨勢有 越來越緩慢，且在個數上是越來越少。
圖 4.2.6(A)，在(√3×√3)上的多數原子團可以獨立站在此重構基 底的中央，只有少數原子團站在交接面，如(√3×√3)+(4×4)和(√3×
√3)+c(2×8)。其他的原子團難獨立站在(4×4)或 c(2×8)上的基底中央，
需仰賴在交接處。推測在此溫度下，原子團喜愛站在(√3×√3)上面。
至於有多少個原子團喜愛站在(√3×√3)上，則在之後的章節有詳細的 討論與分析。
觀察在此溫度下的(4×4)之重構上的島，與前次溫度比較後，不論 是大小、個數或者原子團所佔的位置並無明顯的變化。
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圖 4.2.6 在 600K 鎳原子的分布情形
(A)在各基底上鎳原子之 STM 圖，60×60nm2，+1.3V。放大詳圖分別如(B)(C)(D) (B)鍺(111)-c(2×8)上的鎳原子
(C)銀/鍺(111)-(√3×√3)上的鎳原子 (D)銀/鍺(111)- (4×4)上的鎳原子 其中(B)(C)(D)之面積皆為 15×15nm2
(D) (A) (B)
(C)
C B
D
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4.2.7 加熱至 630 K
繼續加熱至 630K，如圖 4.2.7。島上已有出現黑色三角形的形狀，
如圖 4.2.7(B)(D)。據研究分析的結果，此為一種 7×7 的週期性島。
在這樣的溫度下，像這樣類似的島出現的次數並不少，比較前一個溫 度，此時的數量是急速增加。
和前面小節比較下，含鎳的原子島為較之前的大，但觀察到(√3×
√3)和(4×4)的基底卻還是相當地完整。推測應該是熱處理的溫度升高 後，可以提供更多的能量使銀原子再度排成較低表面自由能的重構狀 態。另外搭配相圖來說明，如圖 4.2.8，銀原子不會與鎳原子和鍺原子 形成合金
圖 4.2.8 上圖為銀鍺的相圖[8]，下圖為銀鎳的相圖[9]
T(℃) T(℃)
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圖 4.2.7 在 630K 下鎳原子的分佈
(A)含鎳的原子島個數變少之 STM 圖，60×60nm2，+1.3V，放大詳圖分別如(B)(E) (B)(C)(D) 出現黑色三角形原子島，其週期為 7×7，整張圖片面積為 20×20nm2 (E)此溫度下同時出現黑色三角形的原子島，整張圖片面積為 15×15nm2
(F)週期為 7×7 的模擬圖(與鍺(111)-c(2×8)做比較) (A)
[112̅]
[1̅10]
(A) (B)
(C)
(E)
(D)
(F) B
E
Ge adatom
1st layer Ge atom
Ge rest-atom
2nd layer Ge atom
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4.2.8 加熱至 670 K
繼續加熱樣品至 670K，表面形成六角形的島，分析顯示這些島的 高度達 0.6nm 至 0.7nm，約二至三倍的原子層，而且這些六角形原子島 分布的範圍很廣，可能站在單一介面或者交接面上，如圖 4.2.9、4.2.10 和 4.2.11。在之前的研究[10]，不管是否有銀原子的系統，皆可發現 此種島，藉此判斷此島可以自然成長在這複雜介面的系統裡。
圖 4.2.9 左為六角形的島，在 c(2×8)和(4×4)的交接面上，15×15 nm2。 右為顯示左圖島的高度曲線。
圖 4.2.10 左為在(4×4)面上的島，15×15 nm2。右為顯示左圖島的高度曲線。
圖 4.2.11 左為在(√3×√3)面上的島，15×15 nm2。右為顯示左圖島的高度曲線。
nm nm
nm
nm
nm nm
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4.2.9 加熱至 870 K
當提高加熱退火溫度到 870K 之後，由於此溫度已超過銀在鍺(111) 表面的退吸附溫度[39]，故樣品表面上曾有的各種銀/鍺(111)- (4×4) 和(√3×√3)之結構皆消失，剩下為純鍺(111)-c(2×8)之結構，其上方 則留下一些不規則的原子團，如圖 4.2.12 所示。
圖 4.2.12 溫度為 870K 之基底為純鍺圖
(A)銀/鍺(111)-(4×4)和(√3×√3)之結構消失，80×80nm2，+1V (B)留下 c(2×8)重構，80×80nm2，+1.5V
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