5-1 矽原子在鎢(110)上的擴散與排列
(一)單顆矽原子在鎢(110)上的擴散移動
本實驗我們先蒸鍍矽原子至鎢針上，然後以場蒸發將鎢(110)切面 上的矽原子拔除到剩下一顆。之後我們固定每次加熱針尖五秒，令鎢 (110)上的單顆矽原子得以自由擴散移動，並在每一次加熱後均以 FIM 紀錄矽原子的移動位置，最後用 4-1 節提到的方法畫出網格並計算每 次移動距離。
觀察各溫度下矽原子的活動情形：加熱到 230 K 十次，期間矽原 子都沒有移動，可見此溫度確實過低難以令矽原子活動；加熱到 273 K 五十次間共移動二十二次，其中多數皆只移動了最小距離 278(pm)，
相信此溫度僅足以令矽原子在鎢(110)上稍微活動；此外還實驗了在 287 K 與 301 K 下單顆矽原子的擴散各約五十次，統計有八成以上的 移動機率，相信此溫度已足以提供矽原子在鎢(110)上頻繁移動的能量。
由於 230 K 的實驗次數過少不採計。依 4-2 節的方法，將在 273 K、
287 K、301 K 下矽原子的方均位移作圖來計算擴散活化能 Ed跟擴散
前 因 子 D0 ， 如 圖 5-1-1 。 圖 中 的 回 歸 直 線 之 方 程 式 為 ln(D) ＝ -7700/T － 5.5，其相關係數之平方值 R² ＝ 0.99，斜率
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兩顆矽原子在鎢(110)上有四種較常見的鍵結模式，見圖 5-1-2，
已有相關實驗透過出現機率統計指出如圖 5-1-2(b)沿著[1,-1,0]相 鄰排列為雙矽原子最穩定的排列方式[20]，我們則通過擴散來驗證其穩
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定性與探討雙矽原子如何在鎢(110)上進行移動。
首先，我們希望了解雙矽原子沿[1,-1,0]相鄰排列是否確實具備相 當高的穩定性，若是如此，與單原子相比應該需要明顯更大的擴散活 化能。因此，我們將樣品加熱到 273 K，每次五秒。加熱二十次的期 間也完全沒有移動或改變結構，由前小節可知，此溫度底下單顆矽原 子已經有四成左右機率會移動，可見此結構確實較獨立之矽原子穩定。
圖 5-1-2 雙矽原子在 W(110)上的常見排列，模擬圖中藍圓為基底鎢原子，紅圓 為吸附其上的矽原子。(a)為沿著單位向量方向[1,-1,-1]或[1,-1,1]相鄰排列，屬於 最短距離的排列方式；(b)為沿著[1,-1,0]相鄰排列；(c)與(a)同樣為沿著單位向量 方向排列，但中間多一間距；(d)為沿著[0,0,-1]的排列方式，但中間有一間距。
之後，我們將加熱溫度提升到 287 K，見圖 5-1-3，發覺雙矽原子 已經開始有相當程度的機率出現結構的改變。沿[1,-1,0]相鄰排列在加 熱七次後轉為沿單位向量方向排列但有一間距的狀態，再加熱一次後 變為相鄰排列，之後又反覆這個變化，不過位置卻往排列方向移動了 一個間距。由此可知沿[1,-1,-1]或[1,-1,1]排列的雙矽原子的縱向移動 過程是藉由相鄰狀態與相隔一間距狀態的相互轉換達成。
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維持加熱溫度為 287 K，發覺[1,-1,-1]排列的雙矽原子經加熱後有 機率會變為[1,-1,1]方向的相鄰結構，再度加熱後又變為原結構，但位 置往側邊移動了一個間距，見圖 5-1-4。由此推斷沿[1,-1,-1]和[1,-1,1]
方向排列的雙矽原子可以透過彼此交替變化來進行橫向移動。
圖 5-1-3 雙矽原子加熱到 287K 後的排列變化，依出現順序由左到右排列。
圖 5-1-4 雙矽原子加熱到 287K 後的另一種排列變化
接著，我們將加熱溫度提升到 301 K，此溫度下給予原子的能量 相當充沛，結構變化頻繁，範例如圖 5-1-5。鍵結有某種程度的機率 被打斷而各自行動，且移動距離相當大，很容易就一次跳躍多個原子
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間距。此外，各自行動的矽原子也有可能相接近而鍵結，因此剛分離 時的矽原子頗容易再度結合。
圖 5-1-5 雙矽原子加熱到 301K 後依由左到右變化
在 301 K 的溫度點除了出現與較低溫度時相同的現象之外，還出 現了沿[1,-1,0]相鄰排列之雙矽原子保持結構連續平移的事件，見 圖 5-1-6。雖然沿[1,-1,0]相鄰排列確實較為穩定，結構變化的機率較 低，但亦有轉變為其他結構的例子。因此移動過程可能是兩顆一起平 移或先跳一顆轉為其他結構後另一顆再跳過去變回原結構。
圖 5-1-6 沿[1,-1,0]相鄰排列的雙矽原子在加熱到 301K 後的移動
從多數實驗數據中都可發覺雙矽原子間具有相當程度的作用力，
既使加熱到足以改變排列或移動的溫度，雙矽原子間也不會輕易斷開 連結而分散各自移動，通常只在 301 K 時發生。
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(三)3~4 顆矽原子在鎢(110)上的結構與變化
先是蒸鍍上三顆矽原子，加熱後兩顆沿[1,-1,0]相鄰排列，剩餘一 顆在旁。加熱到 273 K 後單顆矽原子多次移動，但沿[1,-1,0]相鄰排列 的雙矽原子保持不變，再度驗證前節所得之結論。此外，並無輕易出 現穩定之三顆結構，單顆矽原子大致呈現自由移動，即使從側面靠近 也沒有與雙矽原子產生穩定結構。
之後，提高溫度到 287 K，對三顆矽原子做多次加熱，其排列不 斷變化，但大致都是兩顆結合在一起，剩下一顆離得較遠，只是不一 定是同一顆沒有連結在一起，範例如圖 5-1-7。
圖 5-1-7 三顆矽原子在 W(110)於 287K 下的變化
此外，幾乎不見三顆連成直鍊狀結構，尤其是沿單位向量方向的 三顆相鄰排列完全沒有出現過，推斷其屬於極端不穩定的結構。
經過加熱的測試，發覺有相當常見的非穩定結構，曾出現過多次 三角排列，甚至在多顆時會出現多組三角排列，如圖 5-1-8。但加熱
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後就會改變，可見三角結構並非穩定結構的一種。類似的還有尾端歪 斜的鏈狀結構也經常出現，此種結構的產生應該是鏈狀結構的尾端原 子較不穩定而跳離的結果。
圖 5-1-8 矽原子在 W(110)上的非穩定結構
相對地，3~4 顆矽原子在鎢(110)上之穩定結構主要是沿[1,-1,0]相 鄰排列的直鏈狀結構，能加熱至 287 K 僅有低機率發生改變。以四顆 為例，經多次加熱後先轉變成沿[1,-1,0]相鄰排列的三原子直鏈和一個 從尾端跳開的單原子，如圖 5-1-8(e)，再加熱後又變為兩個雙原子結 構，且沒有再重新結合而是各自移動。由此觀之，沿[1,-1,0]相鄰排列 的長鏈結構具備相當程度的穩定性，只是形成機率較低，主因應為矽 原子過少而不易結合成較長或較大之結構，且長鍊之尾端較不穩定而 易脫離。可見得在 W(110)上的矽原子在低覆蓋率的情況下，將主要 由方向各異的雙矽原子結構組成。
加熱到 301 K 時，四顆原子間相當快速地分散與重新連結，綜括
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√3)R35.26∘周期性結構，如圖 5-1-9 [20]。若將單位向量設為[1,-1,0]和[0,0,-1]則為(1×2)結構，排列受 基底影響明顯。另外，矽塊材中原子間的距離約為 235(pm)，鎢(110) 上矽原子間的距離遠大於矽塊材中的間距，從另一角度可驗證矽明顯
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圖 5-1-9 矽原子在 W(110)上的周期性結構
增加鍍量且改加熱到 500K 後，成功形成沿著[1,-1,0]和垂直方向 [0,0,-1]的大範圍週期性穩定結構，如圖 5-1-10。不過，可見得在接近 台階邊緣時會受到邊界的影響，使得排列並不整齊。
圖 5-1-10 W(110)上的週期性結構：(a)~(i)為依序拔除外圈矽原子後之圖像；(j) 為(f)之模擬圖；(a)、(b)可見外圈矽原子受到 W(110)平台邊緣的影響，出現了不 規則排列；(c)~(i)則明顯可見站位完全按照週期性排列。
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嘗試加熱至 580 K 亦能形成相同結構且能保持穩定，可看出具備 遠強於雙矽原子鏈的穩定性。最後，測出只需更多加熱時間，在 300 K 與 400 K 下仍可生成同樣結構。另外，嘗試稍微增加矽的鍍量 再加熱後也能排出同樣結構，判斷多餘的矽原子會被排出到其他面上。
當排列成大範圍週期性的穩定結構後，再拔除多數的矽原子，雖 仍會保有原先的周期性排列，但在加熱到 300 K 數次後，就會使結構 從外圍原子開始變化，並逐漸重排成多個鏈狀結構或脫離後進行單顆 擴散，範例如圖 5-1-11。使週期性結構逐漸變為方向各異的雙原子與 獨自移動的單原子。因此，可以確信形成穩定結構的關鍵在於覆蓋率，
需要足夠密度的矽原子才能夠形成大範圍的週期性穩定結構。
圖 5-1-11 依序為週期性結構在 300K 下逐漸變化的 FIM 圖，過程中跳至平台邊 緣的矽原子已拔除好避免過亮而干擾影像。
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此實驗進行多次測試，確定有極高的比率會成功長出週期性結 構。不過，即使加熱到 500 K 亦曾有出現排列有所偏差之情況，可 知悉並不是給予更充足能量就能重排至完美，如圖 5-1-12。此情況 與其說是不同的排列，不如說是兩片相同的週期性結構在接合處恰 好不相容，從圖 5-1-12(c)可以看出，其仍屬於相同結構，這點在論 文中亦有提及[20]。
圖 5-1-12 (b)為(a)拔除部分外圈矽原子後之圖像；(c)、(d)分別為(a)、(b)之模 擬圖；(c)中的黃色虛線表示分割不同區的周期性矽原子排列。
總括來說，大致都會出現前述之(2√2
√3 × ４
√3)R35.26∘排列，可見 此結構確實是多顆矽原子在鎢(110)上的最穩定排列，惟需要足夠的 覆蓋率方可生成。
最後，我們試比較本實驗室過去在銥(100)上鍍矽的結果，其矽
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吸附原子的排列為(2×3)結構[18]，如圖 5-1-13。與我們在鎢(110)上得 到的結構相似，但週期距離有所不同，可知即使同為矽吸附原子的 四方排列也會因基底而有所差異，受基底的影響顯著。
圖 5-1-13 矽在銥(100)上的排列
此外，在場離子影像中相近原子裡位置較低的那些原子，經常因 為較暗而難以被觀察，因此即使只看到一顆亮點實際上附近也有可能 還有其他原子。然而，在形成此週期性結構並拔至較少原子後，重新 加熱使其重排，移動後的數量與原先一致，可確信 FIM 上所得影像 即為實際上矽原子的分布。
由本章的實驗結果可知，鎢(110)上有穩定的單層矽排列，且由 重新加熱擴散的結果已經確定並無較低而無法觀察的矽原子，可知 其為平整的單層矽結構。但是，此結構受基底影響明顯，特性自不 會與原實驗目標矽單層相近。加熱至 300~580 K 或再度增大鍍量所 得之結構皆大致相同，並無發現其他模式的排列，可相信在此溫度 區間只有一種週期性排列。
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5-2 矽原子在鎢其他切面上的擴散與排列
(一)單顆矽原子在鎢(211)上的擴散移動
本實驗過程與 5-1 的第一節近於相同，僅是將基底由鎢(110)換為 鎢(211)。與先前不同，鎢(211)為通道面，如圖 5-2-1，可預期吸附其 上的矽原子將可能只能在通道方向上進行，屆時將以一維擴散的方式 計算擴散活化能。
圖 5-2-1 通道面 W(211)的模擬圖
經過對樣品的加熱，發覺矽原子在鎢(211)上擴散所需的溫度遠低
經過對樣品的加熱，發覺矽原子在鎢(211)上擴散所需的溫度遠低