第三章 實驗結果與分析
3.1 實驗結果：STM 影像的比較與統計
本實驗是先在乾淨的Si(100)表面曝上 H2氣體[9]，但沒有曝滿，留下一些單一 活性鍵，示意圖如圖3.1，這些單一活性鍵很容易和氣體分子發生化學反應，之後 再曝上HCl 氣體，觀察 HCl 和單一活性鍵之間會發生什麼變化。
首先抓出讓H2氣體可以完全曝滿的時間，以形成H/Si(100) - 2×1 的表面。曝 氫氣壓為 1×10-7 torr，曝氣時間為 12 分鐘，可形成 H/Si(100) - 2×1 的表面，如圖 3.1 所示。利用掃描穿隧顯微鏡來掃描表面的影像，如圖 3.2 所示，氫在矽的表面 會形成2×1 的結構[10, 11]。
H o t tu n g st e n f i la m e n t 1 8 00 K
H2
H atoms
C l e a n S i s u r f a c e
側視圖
正視圖
圖3.1 曝氫過程的示意圖
圖3.2 曝滿 H 的 Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 20 nm×20 nm，Vs = -2.3 V，穿隧 電流I = 0.25 nA，黃色方框就是 2×1 的單位晶胞(unit cell)，箭頭的方向就是雙原子 單體行的方向，圖中特別黑和白的部分是缺陷。
如果將曝氣的時間縮短，H2氣體沒辦法曝滿整個Si 表面，且因為本實驗是先 讓 H2分子碰到燈絲後解離成 H 原子，再讓氣體是以 H 原子的方式吸附到 Si(100) 的表面，如圖3.1，所以當曝氣時間縮短，未跟氣體發生吸附反應的位置絕大部份 都是單一活性鍵，樣品的表面最後只有Si-H 鍵結的區域，和未形成 Si-H 鍵結的單 一活性鍵，圖3.3 中圓形的亮點就是單一活性鍵，由圖 3.2 可看出這些亮點並不是 在雙原子單體列的正中間，而是有偏左或是偏右的情形，且形狀很圓，所以可以
圖3.3 存在少量單一活性鍵的 H/Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 20 nm×20 nm，Vs= -1.9 V，I = 0.22 nA。圖中的圓形的白點就是單一活性鍵，舉例說明：左邊黃色箭 頭指的單一活性鍵是在雙原子單體偏左的位置，右邊黃色箭頭指的單一活性鍵是 在雙原子單體偏右的位置。
在曝HCl 氣體之前，先利用掃描穿隧顯微鏡得到 H/Si(100) - 2×1，但未完全曝 滿的影像，接著再曝HCl 氣體，曝氣的氣壓為 1×10-7 torr，曝氣時間為 15 分鐘，
之後再掃描同一區域，比較曝HCl 氣體前後的 STM 影像，觀察表面有什麼變化。
我們總共做了六組數據，實驗結果的STM 影像如圖 3.4 至圖 3.9。
圖3.4 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 20 nm×20 nm，Vs = -1.75 V，
before
after
圖3.5 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 20 nm×20 nm，Vs = -1.674 V，
I = 0.216 nA。
before
after
圖3.6 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 20 nm×20 nm，Vs = -1.674 V，
after before
圖3.7 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 30 nm×30 nm，Vs = -2.463 V，
I = 0.195 nA。
after before
圖3.8 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 30 nm×30 nm，Vs = -2.0 V，
after before
圖3.9 曝 HCl 前後的 H/ Si(100)-2×1 表面。影像範圍為 30 nm×30 nm，偏壓分別是 V = -1.816 V，V = -2.513 V，I = 0.212 nA。
after before
比較這些曝 HCl 氣體前後的 STM 影像，發現在 Si-H 區域幾乎都沒有發生變
Monohydride dimer Dihydride
Single Dangling bond Cl atom
H atom
Dangling bond+Cl Dangling bond+H (1)
圖 3.11 SDB→H+SDB 示意圖。(a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影像，(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖。在(a)圖中有一個亮點，且它 是位在一個雙原子單體偏下的位置，而(b)亮點的位置偏上，也就是單一活性鍵的 位置由偏下的位置跑到偏上的位置。這個結果有可能是掃圖時，探針的能量讓同 一雙原子單體上的單一活性鍵和H 原子的位置調換，也可能是 H 原子或 Cl 原子撞 擊這顆H 原子，形成 H2或是HCl 分子脫附。
圖3. 12 SDB→H 示意圖。(a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影像，
(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖。(a)圖中有三個亮點，也就是三個單 一活性鍵，而(b)圖中只剩下一個亮點，另外兩個亮點變成較暗的點，也就是這兩 個單一活性鍵吸附H 原子，形成 Si-H 鍵結。
(a) (b)
(c) (d)
(a) (b)
(c) (d)
圖3. 13 SDB→Cl 示意圖。 (a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影像，
(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖。(a)圖中亮點(兩張圖中較大)是單一 活性鍵，而(b)圖中的亮點(較小)是 Cl 原子，也就是說這個單一活性鍵吸附了 Cl 原子，形成 Si-Cl 鍵結。
圖3. 14 SDB→H+Cl 示意圖。(a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影 像，(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖。(a)圖可看到兩個單一活性鍵，
(a) (b)
(c) (d)
(c) (d)
(a) (b)
上面的亮點是在雙原子單體偏上的位置，下面的則是是偏下，(b)中可看到原本是 單一活性鍵的位置變成H 原子，而旁邊在(a)圖中是 H 的位置，在(b)圖中變成較亮 的點，也就是原本的H 原子的位置被 Cl 原子取代，Si-H 鍵結變成 Si-Cl 鍵結，且 上面的單一活性鍵是不同雙原子單體的 H 原子被取代，下面的單一活性鍵是同一 個雙原子單體的H 原子被取代。
圖3. 15 H→SDB 示意圖。 (a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影像，
(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖。在(a)圖中原本較暗的位置，在(b) 圖中變成大亮點，也就是H 原子變成單一活性鍵，這個結果可能是 STM 掃圖時施 給探針的能量讓H 脫附，也可能是 H 原子或 Cl 原子撞擊這顆 H 原子，形成 H2或 是HCl 分子脫附。
(a) (b)
(c) (d)
圖3.16 H→Cl 示意圖。 (a)曝 HCl 前的 STM 影像，(b)曝 HCl 後的 STM 影像，
(c)曝 HCl 前的示意圖，(d)曝 HCl 後的示意圖，在(a)圖中原本較暗的位置，在(b) 圖中變成較亮的點，也就是原本H 原子的位置變成 Cl 原子，Si-Cl 鍵結取代了 Si-H 鍵結。
觀察這些變化後，去統計每種變化的個數，結果如圖 3.17，再利用這些統計 結果歸納出HCl 對單一活性鍵之間的吸附情形，其討論在 3.2 和 3.3 節。
曝HCl 前後的變化方程式
變化個數 (total=181)
SDB→H+SDB 2 SDB→H 91 SDB→Cl 34 SDB→H+Cl (同一個 dimer) 26
H→SDB 6 H→Cl 22
圖 3.17 曝 HCl 前後的 STM 影像的各種變化的數量統計 (c) (d) (a) (b)