游離源系統

2.1.2.1 電子游離源及光子游離源

在進行電子轟擊游離實驗時因不需外部游離源，故僅用真空蓋板將實 驗腔體與大氣隔絕即可，如圖 1所示。電子游離源使用的是四極桿質譜 儀(Quadrupole Mass Spectrometry, QMS, HIDEN, HAL IDP)本身的燈絲所 產生的熱發射電子。在RGA (Residual Gas Analysis, 殘餘氣體分析)模式 下，燈絲被通入20 微安培的電流使燈絲被加熱而發射出熱電子，這些熱 電子經所設的能量偏壓加速產生轟擊現象。實驗中調整的電子轟擊能量 為15~150 eV，並以常用的 70 eV進行標竿實驗與文獻值比較。

光子游離源使用的真空紫外光到極紫外光的光源為國家同步輻射研 究中心的BL03A1-CGM High Flux (Cylindrical Grating Monochromator High Flux Beamline) 、 BL04B1-Seya (Seya-Namioka Monochromator Beamline) 及 BL08A1-LSGM (Low-energy Spherical Grating Monochromator Beamline)光束線。本研究在不同光束線上選擇的能量範 圍及相對的光柵溝槽密度如表 1。

表 1. 光束線內光柵溝槽密度對應本研究使用的能量範圍

Beamline Ruling Density (ℓ/mm) Scanning Range (eV)

BL03A1-CGM HF 600 8~12

BL04B1-Seya 600 6~24

12

2400 15~50 450 15~50 BL08A1-LSGM

900 30~150

同步輻射光經光柵分光後可選出實驗所需的一階光，但是其他符合分 光條件的高階光也會伴隨著一階光進入腔體，為了不讓高階光進入而干 擾實驗結果，在實驗腔體前會針對不同的能量區段放置不同的金屬薄膜 (foil)或鹽片，foil或鹽片是安裝在手動金屬窗閥(VAT, Mini UHV gate valve, 01032-UE01-AAV2)上，如圖 1左側裝置，金屬薄膜材料及鹽片資料於表 2列出。

表 2. 各能量區段對應的鹽片及金屬薄膜(foil)

Foil LiF In Sn Al Si C

Brand Crystran LeBow Company Thickness 2 mm 0.1 μm

Energy range

(eV) 8.5~11.7 11~16 16~21 20~40 60~80 90~150 Transmission 50% 50% 50% 80~87% 75~83% 55~80%

過濾高階光的例子如下，表 1中BL03A1 與BL04B1 在相同的光柵條 件下有重疊的能量掃瞄範圍，在設計上BL03A1 有較大的光通量但是會產

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生較多的高階光，使用LiF鹽片可 100% 濾掉 12 eV以上的光，因此不受 高階光影響，同時可以利用其高光通量的好處；而BL04B1 則是有較少的 高階光但是光通量較小，在12 – 50 eV的能量範圍使用In及Sn的高階光過 濾效果無法達到實驗需求，必須利用光束線本身光輸出的設計特性，故 僅能在BL04B1-Seya光束線進行實驗。實驗上因無法找到可以在 45~60 eV的能量範圍有效阻擋高階光的材料，所以本研究沒有在 45~60 eV區段 進行實驗。

為避免光束線的超高真空被破壞，金屬薄膜或鹽片的另外一個作用是 隔絕光束線及實驗站間的氣體流通：實驗時放入氣體小於10^-6 torr的氣體 壓力時可使光束線的超高真空維持在小於5×10^-9 torr，所以使用金屬薄膜 阻擋氣體進入光束線。

2.1.2.2 絕對游離能量校正

由於電子游離源原本是用來進行殘餘氣體的分析，並無提供電子轟擊 的能量規格，僅有廠商所提供技術說明的±1 eV說法；而光子游離源使用 的是同步輻射光，每次實驗的白光零點位置都會不同，經分光後波長可 能會有偏移。基於以上因素，進行光游離或電子轟擊游離實驗前都必須 對游離能量做絕對值校正。本研究以氬氣(Argon, Ar)、氪氣(Krypton, Kr)、

氙氣(Xenon, Xe)及實驗樣品作為校正氣體，並依不同的游離能量範圍使 用不同的氣體做校正。光子游離源在BL03A1 是測量各個樣品與氙氣的第 一游離能，在BL04B1 測量氬氣的第一游離能(ionization potential, IE)，在 BL08A1 則是測量氪氣與氙氣的核層激發峰(Core-level excitation)；而電

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子游離源的校正中觀察的是氪氣第一、第二游離能與氙氣第一到第四游 離能。表 3及表 4列出惰性氣體的游離能及核層激發峰。

表 3. 光子游離源的校正氣體第一游離能與激發峰^{23, , 24 25}

Ar Kr Xe

Ionization potential (eV) 15.76 13.99 12.13 Core-level excitation (eV) 91.24 65.11

表 4. 電子游離源的校正氣體游離能²⁶

Kr Xe

1st Ionization potential (eV) 13.99 12.13 2nd Ionization potential (eV) 38.36 33.34 3rd Ionization potential (eV) 64.11 4th Ionization potential (eV) 109.11

能量校正的實驗方法是使用光能量及電子轟擊能量進行能量掃瞄，再 將QMS 的訊號強度對掃瞄的能量值做一次微分，並取微分圖中的峰值能 量當作游離能或特徵峰能量，與文獻值的游離能比較即可得知能量的偏 移量。同步輻射光是經由光柵選擇不同波長的光，因此在能量校正上是 計算與文獻值的波長差，再由校正後的波長換算成能量；而電子游離源 則是直接校正能量的差值。

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2.1.3 偵測器系統