實驗儀器

儀器設備 製造廠商

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy） Digital Instruments

4155C Semiconductor Parameter Analyzer Agilent Technologies 同步輻射光源（synchrotron radiation source） 同步輻射研究

中心 機械幫浦（mechanical pumps） Alcatel 離子幫浦（ion pump）與鈦昇華幫浦（titanium

sublimation pump） Varian 渦輪分子幫浦（turbo molecular pumps） Seiko Seiki 與

Varian 電子偵測器（electron yield detector） 自行組裝

離子槍（sputtering ion gun） Vacuum Generator 差比抽壓四極質譜儀（differentially pumped

quadrupole mass spectrometer） UTI 超高真

空表面 科學實 驗系統 設備

電子動能分析儀（Triple-channeltron electron energy analyzer，CLAM2）

Vacuum

時，為維持能量守恆會伴隨著電磁波發射。當電子以接近光速飛行 時，受到磁場作用而發生偏轉，會沿著切線方向放射出電磁波，此電 磁波即為同步輻射，如圖2-2。以國家同步輻射中心同步加速器為例，

由注射器產生的電子束導入增能環中持續增加電子動能，當電子達到 一定速度之後將電子束注射進入儲存環，電 子 在 環 中 經 過 偏 轉 磁 鐵 或 插 件 磁 鐵 影 響 偏 轉 同 時 沿 切 線 方 向 產 生 同 步 輻 射 光 源，再 經 過 光 束 線 設 計 所 需 光 源 波 段 導 入實驗站。

圖 2-2 電子行經磁鐵圖²³

國家同步輻射研究中心設計屬於第三代同步加速器光源，其最大 的特色在於儲存環中裝入插件磁鐵，例如增頻磁鐵或聚頻磁鐵。插件 磁鐵使電子由原本偏轉一次變成多次偏轉因此同步輻射光的亮度可 以提高一千倍以上。且在 2005 年十二月成功地將儲存環改成「恆定 電流累加注射運轉」，透過定時（每分鐘）且微量（1~3 毫安培）補 充電子束至儲存環，維持恆定的儲存電流（300 毫安培）。恆定電流 運轉可提高平均光通量並且維持加速器熱負載的恆定。實驗所使用的

焦、選取特定波長後，再引進實驗站進行各項實驗。此研究之實驗是

2. 具偏光性（polarization）。

3. 時間脈波結構。

4. 準直性（collimation）高且光源截面積小。

5. 頻率連續。 電子非彈性碰撞平均自由徑（Inelastic Mean Free Path，IMFP）有很 大的關係。IMFP 定義為電子於固態物質間移動時，發生能量減損的

左右，相當於近十餘層原子；若使用同步輻射光源，可以在一定的範 圍之內自由調整光子能量，仍不失高亮度的特性。選用適當的同步輻 射光源能量使激發出的光電子動能於50 至 100 eV 之內，其 IMFP（約 5 Å）很小，使訊號來源大多來自表面原子，提高表面靈敏度。同時，

可以調整激發能量使欲偵測原子的光游離截面（photo ionization cross section）達到最大，讓光譜訊號（signal）值達到最高且訊雜比（S/N）

值最好。

2.4 X 光光電子能譜（X-ray Photoemission Spectroscopy，簡稱 XPS）

原理²⁵

當X 光光束照射樣品表面時，可使表面元素內核層（core level）

電子被激發獲得足夠動能脫離材料表面，最後被電子動能分析儀所偵 測。經過分析偵測到的電子動能與X 光光源能量可推算出電子束縛 能（binding energy），圖 2-3 表示。

圖2-3 測得的電子動能與電子動能分析儀功函數的關係圖。

圖2-3 中樣品與電子動能分析儀經由接地，將兩者的費米能階 電負度（electroegativity）差異。當價電子形成鍵結時，會產生電子 轉移的現象，使電負度較大的元素具有負電荷，而電負度較小的原子

則具有正電荷。由於價電子轉移的緣故，使內層電子能階因靜電位差

（electrostatic potential）改變而反應到元素束縛能上。若元素具有正 電荷，則光電子束縛能會較原子態的電子束縛能高；反之，具有負電 荷的元素所量測到的光電子束縛能會往低束縛能偏移。分子與分子之 間的作用也會造成相同的結果。根據式 2-3推算出的束縛能可得知元 素種類以及其電子組態，而束縛能的偏移量則可推測出元素周圍的化 學環境。

此外，若要提升表面訊號靈敏度可改變電子動能分析儀與表面的 相對角度來進行角解析（angular resolved）量測。下文中XPS 能譜所 標示的角度皆代表電子起飛角（take-off angle），定義為電子出射方向

（以電子動能分析儀接受到電子的方向）與表面的夾角，當起飛角變 小時，來自固定深度的光電子在試片中運動的距離變長，電子在離開 試片表面過程中產生非彈性散射的機率增加，來自深層的光電子會因 更多能量減損，轉換成背景訊號。根據 XPS 原理與起飛角的關係如 圖2-4，關係式如下：

θ dsin

D = （2-4）

D是垂直縱深；d是實際偵測距離。由式2-4 可知垂直縱深會受到電 子起飛角影響，因此 90^°能譜對深層基材訊號較為靈敏，相對來說30^° 能譜則對表面訊號較靈敏。因實驗系統配置上的要求，在這次的實驗 中固定起飛角為90^°，並沒有做電子起飛角與XPS 能譜的關係。

圖2-4 電子起飛角與偵測縱深示意圖。

2.5 近緣Ｘ光吸收細微結構光譜（Near-Edge X-Ray Absorption Fine Structure，簡稱 NEXAFS²⁶）

以原子與雙原子分子系統為例，其內核層電子吸收 X 光的機率

（absorption probability）與光子能量的關係圖中（圖2-5），可看出在 某些光子能量範圍（光子能量範圍為 X 光）內吸收係數為不連續的 變化。在這吸收係數不連續變化的光子能量範圍內即為 X 光吸收邊 緣（absorption edge），在X 光吸收邊緣原子或分子對 X 光吸收係數 有劇烈變化。X 光吸收光譜（X-ray Absorption Spectroscopy, 簡稱 XAS）為研究 X 光吸收係數與 X 光能量關係的實驗技術。X 光吸收 光譜依照X 光能量與吸收邊緣的能量差分為兩種：近緣（near-edge） X光吸收光譜區與延伸（extended-edge）X 光吸收光譜區兩部份，此 兩部份的物理現象來源不一致，所得到的資訊也不相同，在本次實驗 中，只討論NEXAFS的部分。

以X 光照射物質時，物質的內核層（core level）電子可被 X光激 發到一系列的未填滿軌域。圖 2-5（A）的氣體原子為例，這些未填 滿軌域包含電子未游離前之一系列雷德堡能態（Rydberg states）與電 子游離後之連續能態（continuum states）。這些能態的存在使得K-edge

（即1s電子被游離所需的X 光能量值）附近的X光吸收係數對 X光

（electronic relaxation）效應，可使此吸收峰的能量低於電子的游離 位能（ionization potential）；而1s → σ*躍遷能量較高，並且吸收峰非

圖2-5 （A）原子與（B）雙原子分子的電子能階圖及其相應的近緣 X光吸收細微結構（NEXAFS）圖譜 ²⁶。

當X 光的電場方向與矩陣乘積向量方向相同時，此時吸收係數值 最大；若任一偏離時，X光吸收係數依cos² χ的形式遞減，其中χ代 表兩向量的夾角。以苯分子為例，當X光電場垂直苯環面，其 1s→π^* 吸收值最大，但此時 1s→σ^*的吸收值為零，因為 1s→σ^*的向量矩陣乘 積座落在苯環平面上。

圖2-6 中X光入射角為θ（由樣品表面起算），因此入射電場方向

（與入射光方向成垂直，E^∥），與樣品表面法向量（nv ）的夾角相同 為θ；分子排列向量（Οv

）與樣品表面法向量夾角為α，與基材的方

位角（azimuthal）角度為φ。在本實驗中基材為非結晶相（amorphous

（Ψ ）將不會有任何的變化。

圖 2-6 入射 X 光與分子角度關係圖。

圖2-7 X 光入射角與分子傾角的強度關係圖。

圖2-8 X光吸收係數與X光入射角（θ）與分子傾角（α）的強度關係圖。

圖2-9 X 光電場方位角（Ψ）與分子二重對稱面夾角（δ）的強度關係 圖。

2.6 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM）原理^27-28

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）是由 Binnig、

Quate 及 Gerber 於 1986 年所發明，屬於掃描探針顯微術（scanning probe microscopy，SPM）的一種。具有原子級解析能力，可以應用 於多種材料表面的檢測，並能在真空、氣相或液相環境中操作。AFM 是藉由放置樣品的壓電平台水平方向的移動，同時懸臂樑（cantilever）

前端之微小探針，在樣品表面來回掃描，以獲得樣品之表面形態

（topography）。其偵測探針與樣品表面之交互作用力，可以為原子 力、磁力、靜電力、摩擦力等，統稱為掃描作用力顯微鏡（scanning force microscopes，SFM）。

原子力顯微鏡主要結構與原理（如圖2-10）為一具有三軸位移的 壓電陶瓷掃描器、探針與偵測器。探針放置在壓電陶瓷掃描器上對樣 品表面進行來回掃描，當探針針尖接近樣品表面時，探針與樣品表面 之場作用力改變，造成懸臂彈簧片之微小彎曲，此微小彎曲造成探針 在Z 軸方向垂直移動，藉由光束偏折法（optical deflection measurement method）、穿隧電流法（tunneling current method）、電容法（capacitance measurement method）或光干涉法（optical interference method）等偵 測技術可計算出彈簧片之改變量（圖2-10 中，為偵測雷射光點的偏 移，推算出探針的改變量），並利用回饋電路微調探針垂直高度，保 持探針與樣品之間的交互作用力在掃瞄過程中不變。記錄掃描面上各 點之垂直微調距離z(x,y)，即可得樣品之表面圖像，根據圖像可推論 樣品的表面特性。

圖2-10 原子力顯微鏡之原理示意圖²⁸。

原子力顯微鏡的操作模式可以分為以下三種：

(1) 接觸式（contact mode）：這是最早被發展出來的偵測模式，在此操 作模式下，探針直接與樣品接觸，其作用力為原子與原子間排斥

(2) 非接觸式（non-contact mode）：為了解決接觸式量測可能損壞樣品 之缺點，因此發展出非接觸式之量測模式，其原理為固定探針之 高度，使其距離材料表面約數 nm，並以陶瓷振盪片高頻振動探 針，藉由探針與樣品之間的凡得瓦力（van der Waals force）變化，

所引發之回饋信號偵測表面。探針接近材料表面時，凡得瓦力增

樣品其針尖可能會損壞，並可能會破壞較軟的樣品。

本實驗使用為Digital Instruments公司E系列的原子力顯微鏡，模式為 接觸式且壓電陶瓷掃描器型號為AS-12V(‘E’)，scan size = 10 µm × 10 µm。

2.7 場效電晶體原理

2.7.1 電晶體簡介

電晶體為近代電子電路的重要元件之一，其主要功能為控制電流 的開關，就如同控制水流量的閥（valve）。電晶體依照其工作原理 可大致分為雙極接面電晶體（bipolar junction transistor，BJT）與場效 電晶體（field effect transistor，FET）。

場效電晶體的命名來自於其物理操作上的特性。一般場效電晶體 結構控制接腳稱為閘極（gate，簡稱G極），另外兩個接腳分別為源 極（source，簡稱S極）與汲極（drain，簡稱D極）。利用電子流工作 稱為n通道場效電晶體（n-channel FET），電洞流工作則稱為p通道場

場效電晶體的命名來自於其物理操作上的特性。一般場效電晶體 結構控制接腳稱為閘極（gate，簡稱G極），另外兩個接腳分別為源 極（source，簡稱S極）與汲極（drain，簡稱D極）。利用電子流工作 稱為n通道場效電晶體（n-channel FET），電洞流工作則稱為p通道場