第二章 實驗的原理與方法
此一系列的實驗，我們分別在新竹同步輻射中心的 L-SGM 和 H-SGM 兩條光束線上分期進行，所進行量測的試片是由美國 Bell 實 驗室所提供，其組成可分(Ga2O3-Gd2O3/GaAs)，(Ga2O3/GaAs) 以及 (Gd2O3/GaAs)三大類。
2-1 實驗原理
我們的實驗是對樣品以 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) X 光光電子能譜術，進行分析的工作。其基本原理即是光電效應。利 用 X 光光束線照射材料表面，可以游離發射光電子(photoelectron)，
量測光電子的動能，再從而推算光電子的束縛能(binding energy)，可 用以研判該發射光電子之原子的元素種類及其化學態。
XPS 是對試片的表面特性分析很靈敏的一種工具，所檢測的光 電子動能範圍一般在 50~2000eV 左右。如圖 2.1 所示。
圖 2.1：XPS 原理示意簡圖
當原子受到照射，若光能量大於原子軌域電子的束縛能(Eb)則該電子 可被游離成為自由電子，此即是光電效應的基本原理。光電子基於能 量守恆的原理，光電子的動能可以以下式表示：
EK = h
ν
－Eb－ω其中 h 及ν分別為 Plank 常數及 X 射線頻率，若光電子是發射自固態 表面則必須將電子脫離固體表面位能束縛的功函數(work function ω) 考慮進去(實驗數據中為分析儀的功函數)。由於各元素或不同的化學 態有不同特定的電子束縛能，EK 亦將因元素種類的變化而不同所以 檢測光電子的動能可以鑑定試品的元素種類或分辨其化學態。
由於 X 光光電子發射的截面積隨著光能量升高而降低因此 X 光 光電子發射能譜術實驗一般都採用裝置鋁靶或鎂靶之 X 光機或採用 能量較低 (100eV~1000eV) 之同步輻射光。
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2-2 同步輻射光源簡介
我們這次所作一系列 XPS 分析實驗即是應用台灣新竹同步輻 射中心 (Synchrotron Radiation Research Center) 的光源。同步輻射光 因其能量可調，強度又高於一般 X 光機十倍到一萬倍，因此其靈敏 度也大為提高，此外傳統之 X 光源之能量解析度不高，而同步輻射 高準直性之光束線，經高能量解析度之光柵 (grating) 分光以及精密 狹縫選光，在將近十餘米之光束線下游能量分辨力極高，對於微小的 光電子之能量變化可加以解析。而其光源產生的原理如圖 2.2 所示：
圖 2.2：同步輻射產生原理示意簡圖
依照電磁波的理論，加速的帶電粒子都會輻射電磁波。同步輻射光源
即是利用電子束作環狀加速運動時所產生的電磁波。由電子產生器產 生的電子束在加速環中持續增加動能，當電子達到一定速度時即被注 射進入儲存環內，電子因加速運動而產生的脈衝式輻射光，由儲存環 上的出口引出，再導入實驗系統中。同步輻射光具有傳統靶材 X 光 所不及的優點：
1. 具有很高的光通量 2. 具偏光性 (polarization) 3. 時間脈波結構
4. 準直性 (collimation) 佳且截面積小。
5. 光波頻率連續：其產生的光子能量範圍有自軟 X 光至硬 X 光區，
實驗者可依需求選取合適的能量以進行實驗。
6. 同時，其所產生光源的能量分辨力可至 0.1eV，利於作化學態解析 度分析的要求。
圖 2.3 為新竹同步輻射中心簡圖介紹，表一為其儲存環之規格。
圖2.3: 新竹同步輻射中心設施簡圖
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（Emittance） 1.92×10-8rad•m
長直段長度 6.0 m
磁格型別 Triple Bend Achromat
迴轉頻率 2498.27 kHz
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2-3 同步輻射光束線與光源之選取
由於同步輻射具有寬廣的連續頻譜範圍與可調的的特性，因此我 們針對這一系列的實驗選擇在較低能量範圍的 L-SGM 光束線與高能 量範圍的 H-SGM 光束線上進行。
我們在 L-SGM 上量測樣品成分元素砷(As)，鎵(Ga)和釓(Gd)的 部分，因其外層價電子的束縛能量範圍皆在 50eV 以下低能部分。
而高能 H-SGM 光束線則用以量測樣品 O (1S)電子的部分，期望藉 此配合 L-SGM 的數據能對氧化鎵釓這類氧化層有更進一步的瞭解。
以下我們分別說明兩條光束線的光源能量選擇。
(1) L-SGM 光束線簡介與光源之選取：
Groove Density (1/mm) Scanning Rangeλ(nm) Throughput (max) ×10 9
(photons/sec,mrd,200mA,0.1%BW) (S1=S2=10ìm)
9 16 21
Beam Size at Sample (max×max) <2.0×1.0 (S1=S2=10ìm) Accessible Experiments Absorption Spectroscopy
Photoemission
Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy ARUPS*
SXES**
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在作實驗時我們亦選取調整激發能量至欲偵測原子有最高的光游 離截面(photo ionnization cross-section)使光譜可量測的點數讀 值達到最高且 S/N 值最好。所以由圖 2.4 中我們選擇光柵(grating) 數 N＝900/mm 能量 hν＝120eV 的光源來進行實驗，同時可有最高的 光通量(flux)。相對應的解析度可近至 0.1eV。如圖 2.5 所示。
圖2.4 ：同步輻射中心之 l-SGM 光束線光通量與能量對照圖
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圖2.5：L-SGM光束線能量與解析度對照圖
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(2) H-SGM 光束線簡介與光源之選擇，如表三與圖 2.6 所示
Throughput(max) ×10 9
(photons/sec,mrd,200mA,0.1%BW) (S1=S2=10ìm)
43 39 30 27
Beam Size at Sample (max×max) <1.5×1.0(S1=S2=10ìm) Accessible Experiments Absorption Spectroscopy
Photoemission Microscopy
*EXAFS Spectroscopy
**SXES
圖2.6：同步輻射中心之 H-SGM 光束線光通量與能量對照圖
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