第四章 實驗數據與討論
4.5 比較鈷島和鎳島在銀/鍺(111)的成長過程 88
關於鈷島在銀/鍺重構面上的實驗，本實驗室已經有不少人做過相 關研究[4,5,7,43]，這些研究成果可以和本系統的數據比較，將歸納 出相同和不同之處。
首先需了解鈷原子在銀/鍺(111)-(√3×√3)重構上的成長過程。
在 300K 蒸鍍上鈷原子，表面是紊亂排列的。在 370K 的時候，表面上 的原子團依然是散亂分布。在 470K 的時候，發現鈷原子成長為二維週 期性的原子島。在 570K 的時候，週期性的原子島增多，且基底(√3×
√3)的結構是變得很清楚。在 670K 的時候，除了鈷島的面積變大，原 本較矮的島開始形成較高的島。以下圖 4.5.1 為鈷原子在銀/鍺(111) 重構面上的成長過程。
圖 4.5.1 鈷原子在銀/鍺(111)重構面上的成長過程[4]
370K，50×50nm2 470K，50×50nm2
570K，30×30nm2 670K，40×40nm2 870K，50×50nm2
300K，70×70nm2 (A)
(D) (E) (F)
(B) (C)
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從圖 4.5.1 可以觀察鈷銀鍺系統和本系統有其共通處，就是在溫 度較低時，原子團都很小，慢慢升到高溫後，原子團漸漸變大，這是 因為發生 Ostwald ripening 的現象[44]，該理論是根據顆粒表面分子 的能量高於顆粒內部分子的能量，而產生不穩定性的事實，進而逆向 推導出來。解釋此現象可以說明各個小型原子團的總能量高於大型原 子島的總能量，為了達到能量最低的情況，小型原子團會慢慢萎縮，
大型原子島不斷增大，希望達到表面積最小的效果。
接下來要比較這兩種系統的相異處，在鈷銀鍺系統裡出現兩種形 貌的鈷原子島，其中一種是(2×2)，另一種是(√13×√13)，如圖 4.5.2。
在這之後的研究中[5]，指出這兩種形貌的原子島可以出現在銀/鍺 (111)-(√3×√3)和銀/鍺(111)-(4×4)的複雜介面，同時推測在(√3×
√3)、(4×4)和 c(2×8)的三種重構面上也可以形成相同結構的鈷島。
圖 4.5.2 鈷在銀鍺表面形成週期性結構的原子島[4][5]
(A)在銀鍺複雜介面(包含(√3×√3)和(4×4)) (B)在銀鍺單一介面(只有銀/鍺(111)(√3×√3))
2×2
√13×√13
(A) (B)
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在上一小節提到，在鎳銀鍺會出現多種結構的鎳島：7×7 島、六角 形島和長條狀島。比較這兩種系統的島，並無任何的共通性。
其次，就基底的面積而討論，在相同的鍍量下，鈷島會減少(4×4) 露出的面積，(√3×√3)露出的面積僅稍微下降，顯示鈷島喜愛在(4×
4)上成長。這項實驗結果恰與 4.3 節的討論有所不同，根據圖 4.3.2 說明鎳島會增加(4×4)露出的面積，對於(√3×√3)的面積也會同時增 加，但比較兩者重構上的鎳島面積和數量，(√3×√3)上的鎳島面積為 最大且數量數量為最多，因此判斷鎳島最終會喜愛站在(√3×√3)之重 構上。
推測造成這其中差別的可能原因：在鈷方面，第一種原因是(4×4) 的束縛能比(√3×√3)的束縛能高，第二種原因是(4×4)的單位晶胞是 由六個銀原子和三個 Ge adatom 組合的，會有部分的鍺原子露出於表 面上，而且鈷原子與鍺原子的交互作用很強，所以基於這兩種原因，
鈷在成核時，會喜愛移動至(4×4)上與鍺原子形成鍵結。但(4×4)露出 的面積會減少，而(√3×√3)露出的面積增多，在有篇研究提到[7]，
鈷原子在(4×4)上面發生作用後，會把銀原子推開，造成其他區域的銀 原子增多，然後受到溫度上升的影響，銀鍺剛好可以形成(√3×√3)重 構，這就是鈷島的成長機制。
在鎳方面，先前的研究提到，鎳在銀/鍺(111)-(√3×√3)會產生
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三重洞的情形，如圖 4.5.3。這是因為隨著溫度上升，鎳會鑽入樣品產 生三重洞，接著與鍺形成合金在表面生成三角形原子團。
圖 4.5.3 三重洞與原子團，40x40 nm2，-1.3 V[10]
再從圖 4.5.3 觀察，鎳銀鍺系統的原子團體積會隨著加熱退火溫 度上升而上升，顯示鎳原子不論在何種基底上，皆會與鍺發生反應而 形成合金。既然形成合金後，便會在平穩的基底表面上向上成長，由 於(√3×√3)重構的基底面比(4×4)較為平坦，所以鎳島喜愛站在(√3×
√3)重構面上。
圖4.5.3 在鎳銀鍺系統中，單位面積上原子團體積隨溫度的變化[10]
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第五章 實驗結論
在複雜介面系統裡蒸鍍少量的鎳原子，同時在不同溫度下觀察原 子團的成長過程。經由前面章節的分析討論，可以歸納出以下結論：
一、 隨著加熱退火溫度的上升，從原本散亂分佈的原子團，逐漸形成 較大的原子島。在此系統裡出現三種原子島：7×7 島、六角形島 和長條狀島，其中只有 7×7 島是具有週期性結構的島。當加熱退 火溫度達到銀退吸附的溫度時，這些原子島會消失，留下純鍺 (111)-c(2×8)的重構表面和少許的原子團，原因是鎳已鑽入鍺基 底下所形成。
二、 經過統計分析，鎳原子團在成長過程中，不論是面積、高度或數 量上，鎳原子團喜愛站在銀/鍺(111)-(√3×√3)的基底上。
三、 比較鎳鍺系統和鎳銀鍺系統。在低溫時，鎳鍺系統出現 3×3 島和 2√7×2√7 島，鎳銀鍺系統卻沒有，故銀此時發揮阻擋鎳與鍺合 金的效果。在鎳銀鍺複雜介面時，皆有大量純鍺基底的區域，觀 察表面沒有發現有週期性的原子島，故銀的存在影響鎳與鍺形成 合金。基於上述兩點，銀原子在此系統具有阻擋和長距離作用力 影響含鎳島的成長效果。
四、 在高溫下，鎳島的組成成分為 Ni5Ge3、 Ni5Ge3和 NiGe。當化合 物為 Ge10Ni 時會有最穩定的狀態，再配合先前的研究，證明在合
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金的過程鎳會與多顆的鍺進行反應。
五、 比較鈷銀鍺系統和鎳銀鍺系統。這兩種系統皆會發生 Ostwald ripening 的現象，其相異處為兩系統中所發現的週期性原子島各 不相同。另外鈷在成核時，會移動至(4×4)的基底上與鍺原子形 成鍵結，並且會推開銀原子，使其他區域的銀原子增多，又因為 溫度的關係，銀鍺形成(√3×√3)重構。反觀鎳與鍺形成合金，
不會移動至(4×4)上成長，是會在平坦的(√3×√3)重構成長。
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