實驗裝置

實驗裝置由五個部分構成：真空系統、低溫系統、p-H2轉換系統、偵測 系統以及光解光源，如圖 3.1 所示。以下依序作介紹。

3.1.1

真空系統包含真空腔體及氣體管路兩部份，如圖 3.2 所示。連接低溫裝 置的真空腔體底部有四面光窗，依實驗光源需求可選擇裝上溴化鉀(KBr) 鹽 片或石英(quartz) 光窗與外界隔絕達成真空，且分別提供間質進行紅外光譜 偵測或紫外–可見光光解時使用。真空腔體及氣體管路的真空度係利用機械 前置幫浦(Edwards RV12，抽氣速率為 237 L min^1)及分子渦輪幫浦(Varian turbo-V301 Navigator，抽氣速率為 280 L s^1)達成並維持於 1.5 × 10^6 Torr 以 下。壓力計分別使用電容式真空計(MKS，model 223B)和離子式真空計(ion gauge，ULVAC GI-TL2)，量測範圍分別為 10³–10^1 Torr 和 10^3–10^8 Torr。

氣體管路是由一 2 公升玻璃球及不鏽鋼管路所組成，管路包含開關閥、流 量計及針閥。

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3.1.2

圖 3.3 所示為真空腔體及其連結的低溫系統。低溫系統係利用循環式二 段壓縮系統(Sumitomo CSW-71)包含壓縮機組、高壓連結管路、膨脹器及溫 度控制器(Lakeshore 331)。當腔體真空度降至 3.0 × 10^6 Torr 以下時，啟動 壓縮機組，壓縮機內部氦氣壓力由靜置時的 1.69 MPa (245 psi)壓縮至約 2.65 MPa (384 psi)，此高壓氦氣流經高壓連結管並傳送至膨脹器，由膨脹器內的 閥門馬達控制此高壓氦氣進入第一級及第二級之置換器內，氦氣於此因絕 熱膨脹(adiabatic expansion)而產生降溫作用。膨脹後的低壓氦氣(約 100 psi) 經由低壓管路導回壓縮機，並完成一次的冷卻循環。用於沉積間質樣品的 樣品靶安置在第二級置換器最末端，其材質為表面鍍金之無氧銅，而其溫 度由矽二極體溫度計(silicon diode thermometer)測量並由溫度控制器讀取。

啟動壓縮機約 40 分鐘後，樣品靶的溫度可由室溫被降至 3.2 K，且可視實 驗需求由控制器加熱樣品靶提高溫度。膨脹器外圍和真空腔體之間以兩個 O 型環(O-ring)密合，使樣品靶得以在保持真空狀態下依然能夠自由地轉動，

依實驗需求分別轉向樣品沉積窗口、紅外光譜偵測窗口或紫外光光解窗 口。

3.1.3 p-H

p-H

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氣經由液態氮冷阱進行初步除水動作後，藉由針閥控制流進內層腔體的流 量。內層腔體由一含有催化劑的 1/8’’銅管所組成，於中間部分以螺旋狀纏 繞成兩層，並利用螺絲、螺帽、墊片將其固定於冷卻頭上。螺旋銅管的外 部空間即為外層腔體，外層腔體須保持真空來隔絕螺旋銅管至其外部之大 氣的熱傳導，其所需之真空度在 1.0 × 10^4 Torr 以下；此真空度係由機械式 前置幫浦(Edwards RV12，抽氣速率為 237 L s^1)及分子渦輪幫浦(Varian turbo-V70，抽氣速率為 68 L s^1)維持。低溫系統是由 Advanced Research Systems (DE204A)運作，包含壓縮機組、高壓連結管路、膨脹器及溫度控制 器 (Lakeshore 331)，啟動壓縮機組後約 45 分鐘，可使含有催化劑的內層腔 體由室溫降至 10.0 K；利用溫度控制器可以調整實驗所需要的轉換溫度。

壓力計分別使用電容式真空計(capacitance gauge，MKS，model 223)和熱電 偶式真空計(thermocouple gauge，MKS，type 622)，量測範圍分別為 10³–10^1 Torr 和 1–10^4 Torr。

3.1.4

本實驗以霍式紅外光譜儀(Bomem DA8 FT-IR spectrometer)作為偵測系 統，FTIR 內部的構造及光徑路線示於圖 3.5。其所使用的紅外光源為碳矽 棒(globar)，放射波長範圍 20010000 cm^1；分光片為溴化鉀(KBr)，適用波 長範圍 4505000 cm^1；偵測器為 mercury cadmium telluride(MCT)，其光區

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以氮氣去除光徑中所含的 CO₂及 H₂O，降低其在紅外光區的吸收所造成的 光譜干擾。

3.1.5

本實驗以一波長 365 nm 的光源光解 Cl₂及一可調波數的紅外雷射作為 H2的激發光源，其可調範圍約於 2000–7000 cm^1。

1. 發光二極體 (light emitting diode, LED)：

單色發光二極體，包含高效能發光二極體、聚焦光學系統、安全匣、轉 接器及插頭。所需要之供給電壓範圍為100240 V，輸入電流須小於0.4 A，

輸出波長為365 nm (±10 nm)，輸出最大功率500 mW，能量密度3000 mW cm^2 (測量於照射距離約11 mm)。實驗時可配合氮氣吹拂作冷卻，以防光源 過熱。

2. 可調頻紅外雷射光源(Tunable OPO/OPA Infrared Laser Source)：

實驗中利用 KTP/KTA-OPO/OPA 系統（LaserVision）來產生波長可調 式紅外光光源，雷射架構如圖 3.6 所示。OPO/OPA 系統以 Nd:YAG 雷射

（PL8000，Continuum）做為激發光源。Nd:YAG 雷射前端接有一台種子雷 射（seeder laser，SI-2000，Continuum），其二極體發出頻寬極窄（< 5 kHz）

的雷射光，注入 Nd:YAG 雷射之共振腔，使 Nd:YAG 雷射之出光頻寬變窄

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（~ 100 MHz）。Nd:YAG 雷射輸出波長為 1064 nm （脈衝長度 8 ns，水平 偏振），導入 OPO/OPA 系統後經由一片分光片分為兩道光束，其中一道經 分光片反射的光束帶有 34 %之能量，該道光經過半波片後轉變為垂直偏振，

再經 KTP 晶體產生 532 nm 倍頻光，此道倍頻光經由一 532 nm 反射鏡導 入 OPO 組件。OPO 組件包含一個低掠角光柵（near grazing incidence，1800 grooves mm⁻¹）、微調鏡（tuning mirror）組、一面銀鏡、兩個角度可調整之 KTP 晶體以及一面輸出耦合鏡。 532 nm 之雷射光通過第一個 KTP 晶體

（第二類相位匹配）後會產生兩道能量較低的光：訊號光（signal 1，波長 約在 712–880 nm，水平偏振）和閒頻光（idler 1，1.35–2.1 μm，垂直偏振），

第二個 KTP 晶體用於補償掃描波長時光束之位移。新生成的二道光大部分

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為 Brewster 角度的矽板（silicon plate）可將垂直偏振的訊號光反射掉，只 讓水平偏振的閒頻光通過。最初經分光片分出的另外一部份 1064 nm 雷射 光（具 66 %能量）經過半波片轉為垂直偏振後，與 OPO 階段產生的閒頻光 在 OPA 階段結合。在 OPA 階段中以此閒頻光作為 OPA 階段的訊號光，1064 nm 的光作為激發光，兩道光重合後在 KTA 晶體（第二類相位匹配）中行 光學參量放大作用，將訊號光能量（signal 2， 波長 1.35–2.1 μm，水平偏 振）加強並新生成一道閒頻光（idler 2， 波長 2.1–5 μm，垂直偏振）。光束 最後通過一面雙色鏡將剩餘的 1064 nm 激發光反射至一 beam dump，再進 入由三片矽板所組成的極化器，其擺放角度為 Brewster 角度，平放時可以 讓水平偏振的訊號光通過，垂直轉九十度角後可以讓垂直偏振的閒頻光通 過，故可視光譜波長需要調整其角度。最終紅外光可調波長範圍為 1.35–5 μm。圖 3.7 為可調波長範圍內所測得之紅外光能量大小，其中 1064 nm 激 發光能量為 520 mJ。紅外光在 1.5–3 μm 處能量較高，轉換效率約為 3.8–5.8

%。實驗時，在紅外雷射光徑上以一 95 % CaF2分光片導出 5 % 紅外光進 入光聲效應 (photoacoustic)氣體腔體中以作波長校正。

3.1.6

光聲光譜為一靈敏度高之光譜技術，常被用於少量氣體分析。² 當入射 光符合腔體內分子振轉動能階差時，分子吸收光子並躍遷至激發態後，經

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分子間碰撞弛緩(collisional relaxation)，吸收的光能會以熱能的形式釋放出 來，造成局部加熱膨脹並引發聲波，偵測此聲波並觀察其強度隨雷射波長 的變化，便可得到分子的振轉動光譜。波長校正過程所需各項儀器接線示 於圖 3.8。本實驗利用一具有 CaF₂ 光窗及內建麥克風(KUC1223，Hosiden) 的腔體裝填 50 Torr 甲烷(CH₄)，記錄腔體內甲烷 C–H 伸張模及彎曲模之結 合吸收帶(ν3 + ν4 combination band) 於 4100–4600 cm^1之吸收光譜。訊號蒐 集後，以一濾波放大器(SR560，Stanford Research Systems) 過濾聲波中雜訊 並 適 度 放 大 ， 接 著 輸 出 訊 號 至 閘 式 積 分 及 平 均 模 組 (SR250 ， Stanford Research Systems)並選定紅外雷射入射後 3–6 μs 所測得之訊號作平均或累 加，輸出至 SR245 通訊傳輸裝置並傳送至電腦儲存。另一方面，吾人採用 Hitran 2008 Database 所記錄之甲烷吸收峰並分別以頻寬 0.2 cm^1 之高斯 (Gaussian) 函數作重繪，⁷ 接著將實驗時記錄之光聲光譜與其作比較，即可 得知實驗進行時確切的紅外光波數。