實驗流程與分析方法原理
3.2 材料分析方法[27][28]
(Ⅰ)X光繞射分析(X-ray Diffraction, XRD)
圖 3.4 X光經晶體繞射示意圖。
當X光(波長為λ)以一角度θ照射在一晶體表面時(如圖3.4)，入射之X光 與O和P處的原子作用而造成散射，若θ角符合布拉格公式(Bragg’s equation)：
θ λ 2dsin
n = (3.1) 其中n為整數，則發生建設性干涉，產生繞射圖形。透過X光繞射儀可得到 繞射光譜，由其中繞射峰的位置(以θ或2θ表示)很容易就能利用布拉格公式 計算出晶格平面間距d，而繞射峰的強度則與每組平面的原子反射中心的數 目與種類有關。因此，每個晶體物質都有其獨特的繞射光譜，若未知物與 已知物的繞射光譜能完全匹配，則二者可認定含相同化學成分，故能據此 來定性鑑定晶體化合物。一般是將未知物質之繞射光譜與國際性粉末繞射 標準委員會(Joint Committee on Powder Diffraction Standards, JCPDS)所建立 的資料使用Hanawalt方法進行鑑定，若未知物中含有兩種以上的晶體化合
物，鑑定流程就會較為複雜，目前已可用電腦搜尋系統來協助進行比對鑑 定。
本研究使用的X光繞射儀機型為PANalytical X'Pert Pro， 銅靶產生之 射線Kα波長為1.54Å。儀器之操作條件：電壓45kV，電流40mA，X光與薄 膜間的掠角固定為1度，2θ掃瞄範圍為20~80度，掃描速度3°/min。
(Ⅱ)片電阻量測
四點探針是最常用來量測薄膜片電阻的儀器，如圖3.5所示，只要在其 中兩根探針間加以固定的電流，同時量測另兩根探針間的電壓差，就可計 算出片電阻值。較先進的儀器會依序將電流加在P1和P4之間與P1和P3之間，
並改變此兩種組態的電流方向共進行四次量測，以期獲得較準確的結果。
本研究使用金屬膜四點探針量測儀，型號為NAPSON RT-80/RG-80，其 可量測之片電阻值範圍為0.5m~400M Ω/square。
圖 3.5 四點探針量測原理示意圖[29]。
(Ⅲ)掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析
掃描式電子顯微鏡主要是以電子束在試片表面作二度空間的掃描，且與 CRT 螢幕的掃描同步，再以偵測器偵測試片表面產生的二次電子(secondary electrons)與背向散射電子(backscattered electrons)，經訊號處理放大後送至 CRT 以形成影像，由於試片表面任意點所產生訊號的強度一一對應到 CRT 螢幕上對應點的亮度，因此試片表面的形態可藉由此種亮點同步成像的方 式表現出來。
試片原子受到入射電子撞擊所釋放出弱鍵結的電子稱為二次電子，其能 量低於50eV，只有距離試片表面約 50~500Å 內產生的二次電子才有機會逃 離試片而被偵測到，所以偵測到二次電子的數量會受試片表面起伏狀況的 影響，故由二次電子影像可觀察出試片表面的形貌特徵。而背向散射電子 是入射電子與試片原子發生彈性碰撞而逃離試片表面的高能量電子，背向 散射電子產生的數量會因試片原子的種類而有所差異，試片中平均原子序 越大的區域所釋放出的背向散射電子越多，背向散射電子影像也就越亮，
因此利用背向散射電子影像觀察表面平滑，卻有微區元素組成差異的試片 特別有用。
本 研 究 使 用JOEL JSM 6500-F 熱 場 發 射 電 子 顯 微 鏡 ， 加 速 電 壓 0.5~30kV，影像解析度可達1.5nm，放大倍率25~500000倍，傾斜角度範圍 -5~+15度，可旋轉360度，可偵測二次電子及背向散射電子訊號，真空度為
5×10-8Pa。
(Ⅳ)歐傑電子能譜儀(Auger Electron Spectrometer, AES)分析
歐傑電子儀是利用電子束照射試片表面，以激發表面原子產生歐傑電
傑電子，所以氫與氦兩種原子序小於三的元素無法使用歐傑電子儀鑑定。
圖 3.6 歐傑電子產生原理示意圖。
本研究使用VG Scientific Microlab 310F歐傑電子能譜儀，其電子 能 量 分 析 器 為Concentric Hemispherical Analyzer(CHA) ， 解 析 度 0.02%~2%，可偵測元素 Li~U(原子序 3~92)，入射離子為Ar+，真空度 約10-9 torr。
(Ⅴ)二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)分析
二次離子質譜儀的運作原理為控制離子束(一次離子，如Cs+或O2+)來撞 擊試片表面，引起表層原子被撞濺出而脫離試片，其中大多數是不帶任何 電荷的中性粒子，小部份為帶正(負)電的離子(二次離子)，經質譜儀分析 後可提供試片在縱深方向的組成分佈，屬破壞性分析。
本研究使用的機 型 為CAMECA IMS 7F，質譜儀為 Double Focusing
Mass Spectrometer，質量解析度 20000，離子源有 Cs+及O2+，真空度約 10-9 torr。
(Ⅵ)穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)分析
穿透式電子顯微鏡是利用高能量的入射電子穿過樣品，偵測其所產生的 彈性散射電子與非彈性散射電子，來得到材料內部微結構、成分及鍵結的 訊 息 ，TEM 配 有 X 射 線 能 量 散 佈 分 析 儀 (Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDS)，可定性定量分析極小區域的化學成分。
本研究使用的TEM機型為 JEOL, JEM-2010F，加速電壓 200kV， 放 大 倍 率2000~1500000倍，EDS機型為 OXFORD INCA，解析度 136eV，
可 偵 測 原 子 序5~92的元素。