第二章 實驗儀器與原理
2.6 能譜譜線數據分析處理
一般光電子能譜的數據處理包括了決定各訊號峰能量定性分析及量測強 度，以計算各元素原子濃度之定量分析，這些工作都需要將光電子能譜訊號峰的 位置、強度確切決定出來，這些數據處理程序可包括平滑化(smoothing)、背景訊 號扣除(background removal)及譜峰曲線配湊(curve fitting)。平滑化的目的乃是將 訊號-雜訊比不佳的能譜線利用數學方法轉化成均勻平滑的曲線，以方便電子能
2.6-2 譜峰曲線合配(curve fitting)
譜峰曲線合配主要目的是用數學方法分離複雜重疊的光電子訊號，以鑑定不 同的化學態或是計量個別訊號峰強度，譜線配湊法將分析結果與一些理論數學函 數比對，例如高斯函數(Gaussian function)或勞倫斯函數(Lorentzian fuction)，假設 有一配湊函數為 F(Xk, Qi)，其中 Xk是某一數據點位置，而 Qi則是對應於Xk之 相關配湊參數，在XPS 能譜裡，Xk即是每一束縛能量測點，當Yk代表實際的分 析結果，最佳化的配湊便是使Xk點的F(Xk, Qi)與 Yk兩者平方根的差異總合達到 極小，這即是最小平方配湊法( least square fitting);有許多的數學函數可以用來做 配湊函數，常用者為高斯函數與勞倫斯函數，一般數據分析處理系統都有完整的 背景移除與譜線合配功能。
三 實驗數據分析
得知，成長 1cycle的Ge約是成長 0.4ML (1ML=6.24×1014 atoms/cm2)，而通以 850mA的電流，可使樣品加熱溫度達 650K。在Si(100)-2×1 表面上，室溫成長 0.4ML的Ge後，測量Ge 3d和K 3p光電子譜，
然後再飽和吸附Cl2氣體，方法為在真空腔中通入Cl2氣體，使真空腔內部壓力達 1×10-8 torr持續 1 分鐘，Cl2分子會裂解成Cl原子吸附在Ge/Si(100)-2×1 表面的斷 鍵上。完成曝氯後的樣品表面，每個Si原子和Ge原子上面都接了一個Cl原子，其 覆蓋率就可稱為1 ML ( monolayer ) ，然後測量Ge 3d、K 3p和Cl 2p核心層光電 子譜，接下來Ge/Si(100):Cl表面上蒸鍍上鉀，蒸鍍時間為二十秒，方法是利用電 阻加熱足夠長的鹼金屬分散器(Alkali metal dispenser)，正對樣本距離約五公分，
使鉀原子能夠均勻蒸鍍在樣本上。evaporation cruurent為 5.3 A(約 660℃)。
圖(3.1a)、圖(3.1b)和圖(3.1c)分別是 Ge 3d、K 3p 和 Cl 2p 核心層光電子能譜
的Su及Sd分量消失了，B分量的左邊出現一個分量，其對於B的相對束縛能為 0.57 eV，標為Ge+分量。而樣品蒸鍍上K後，Su分量出現，而後繼續把樣品加熱至不 同溫度每次加熱時間為一分鐘，待樣品冷卻至室溫後再測量，而能譜維持一樣。
圖(3.1b)是 K 3p 的核心層光電子圖，在成長 0.4ML 的 Ge 後所測量的光電子 譜只能分析出Ge 3d 分量，束縛能約在 28.2 eV。而各分量束縛能皆為相對於費 米能階。在 0.4-ML-Ge/Si(100)曝氣 Cl2氣體後所測的電子譜（圖(3.3b)中譜線右 方標為+Cl 的譜線），也是只有一個 Ge 3d 分量，束縛能在 29.2 eV，直到樣品蒸 鍍K 時才有比較明顯的三個分量出現，K 3s 束縛能約 34.4 eV，一個標為 K 3p 分量，束縛能為18.2 eV，另一個分量標為 KCl，束縛能為 6.04 eV。而後繼續把 樣品加熱至不同溫度每次加熱時間為一分鐘，待樣品冷卻至室溫後再測量， 隨 著樣品溫度加高，K 分量明顯減少，但直到 695K 還沒有全部消失，而 KCl 分量 在605K 時，就明顯消失。
圖(3.1c)是 Cl 2p 的核心層光電子圖，在 Si(100)上成長 0.4ML 的 Ge，飽和吸 附Cl2後所測量到的Cl 2p 光電子譜（圖(3.3c)中譜線右方標為+Cl 的譜線，而標 上×1/2 代表把光電子強度減為原始數據的一半），當鍍上鉀時並無明顯變化，而 後繼續把樣品加熱至不同溫度每次加熱時間為一分鐘，待樣品冷卻至室溫後再測 量，而能譜維持一樣，只有隨著樣品加熱溫度增高，電子能譜強度隨著減小，直 到695K，電子能譜強度降為零。
。
圖(3.2)是各分量的能譜強度對加熱溫度(K)的關係圖，其中橫軸為加熱溫 度，縱軸為能譜強度。
圖(3.1a) 0.4-ML-Ge/Si(100)及表面飽和吸附Cl2氣體，而後蒸鍍二十秒鐘的鉀，再 加熱至不同溫度的Ge 3d 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右 方，入射光子能量為140 eV。相對束縛能是將 0.4-ML-Ge/Si(100)的Si 2p 內體分量定為 0 eV做調整。圖中標示B、Su、 Sd和Ge+為分析的結果。
其分別代表不同的能譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相 同
圖(3.1b) 0.4-ML-Ge/Si(100)及表面飽和吸附 Cl2氣體，而後蒸鍍二十秒鐘的鉀，
再加熱至不同溫度的K 3p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線 右方，入射光子能量為140 eV。圖中標示 K 3s、Ge 3d、K 3p 及 KCl，
分別代表各不同的能譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相 同。
圖(3.1c) 0.4-ML-Ge/Si(100)表面飽和吸附 Cl2氣體，而後蒸鍍二十秒鐘的鉀，再 加熱至不同溫度的 Cl 2p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右 方，入射光子能量為240 eV。譜線右方標為+Cl 的譜線上×1/2 代表把光 電子強度減為原始數據的一半）。
圖(3.2)是各分量的能譜強度對加熱溫度(K)的關係圖，其中橫軸為加熱溫度，縱 軸為能譜強度。而圖中的長條棒代表其值的不確定範圍。
Relative Binding Energy (eV) -69 -70 -71 -72 -68
-67
Photoemission Intensity (arb. units)
圖(3.1a) Ge 3d 核心層光電子能譜
Binding Energy (eV)
0 5
10 15
20 25
30 35
Photoemission Intensity (arb. units)
Relative Binding Energy (eV) 103 102 101 100 99 98 97 104
Photoemission Intensity (arb.units)
圖(3.1c) Cl 2p 核心層光電子能譜
0.4-ML-Ge/Si(100)+Cl+K
Annealing Temperature (K)
400 500 600 700
Intensity (arb. units)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
圖(3.2)
3.1.2 鉀蒸鍍時間為十五秒在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面上
首先和蒸鍍二十秒在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面上同樣方法成長 1 cycle 的 Ge 和曝氯氣，在 Si(100)-2×1 表面上，室溫成長 0.4ML 的 Ge 後，測量 Ge 3d 光
Sd對於B的相對束縛能為 0.7eV。在 0.4-ML-Ge/Si(100)曝氣Cl2氣體後，光電子譜 的Su及Sd分量消失了，B分量的左邊出現一個分量，其對於B的相對束縛能為 0.57
圖(3.3a) 0.4-ML-Ge/Si(100)及面飽和吸附Cl2氣體，而後蒸鍍十五秒鐘的鉀，再加 熱至不同溫度的Ge 3d 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右 方，入射光子能量為140 eV。相對束縛能是將 0.4-ML-Ge/Si(100)的Si 2p 內體分量定為0 eV做調整。圖中標示B、Su、 Sd和Ge+為分析的結果。
其分別代表不同的能譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相 同。
圖(3.3b) 在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面蒸鍍十五秒鐘的鉀，再加熱至不同溫度的 K 3p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右方，入射光子能量 為140 eV。圖中標示 K 3s、Ge 3d、K 3p 及 KCl，分別代表各不同的能 譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相同。
圖(3.3c) 0.4-ML-Ge/Si(100)及表面飽和吸附 Cl2氣體，而後蒸鍍十五秒鐘的鉀，
再加熱至不同溫度的 Cl 2p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線 右方，入射光子能量為240 eV。
圖(3.4)是各分量的能譜強度對加熱溫度(K)的關係圖，其中橫軸為加熱溫度，縱 軸為能譜強度。而圖中的長條棒代表其值的不確定範圍。
Relative Binding Energy (eV)
-72 -71
-70 -69
-68 -67
Photoemission Intensity (arb. units)
圖(3.3a) Ge 3d 核心層光電子能譜
Binding Energy (eV)
0 5
10 15
20 25
30 35
Photoemission Intensity (arb. units)
Relative Binding Energy (eV)
97 98
99 100
101 102
103 104
Photoemission Intensity (arb. units)
圖(3.3c) Cl 2p 核心層光電子能譜
Annealing Temprature (K)
400 500 600 700
Intensity (arb. units)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
圖(3.4)
3.1.3 鉀蒸鍍時間為 300 秒在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面上
首先和蒸鍍二十秒在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面上同樣方法成長 Ge 和曝氯 氣，在Si(100)-2×1 表面上，室溫成長 0.4ML 的 Ge 後，第一次測量 Ge 3d 光電 子譜，然後再飽和吸附Cl2氣體。完成曝氯後的樣品表面，每個Si 原子上面都接 了一個Cl 原子，其覆蓋率就可稱為 1 ML ( monolayer ) ，然後測量完 Ge 3d 和 Cl 2p 核心層光電子譜後，在 Ge/Si(100):Cl 表面上蒸鍍上鉀，蒸鍍時間為三百秒。
圖(3.5a)、圖(3.5b)和圖(3.5c)分別是 Ge 3d、K 3p 和 Cl 2p 核心層光電子能譜 圖，加熱溫度標示在譜線右方。Ge 3d 和 Cl 2p 相對束縛能是將 0.4-ML-Ge/Si(100) 的Si 2p 內體分量定為 0eV 做調整，而 K 3p 相對束縛能為相對於費米能階。Ge 的3d 核心層光電子譜和 K 的 3p 核心層光電子譜所用的入射光子強度為 140 eV，
Cl 的 2p 核心層光電子譜所用的入射光子強度為 240 eV。
圖(3.5a)中，在成長 0.4ML的Ge後所測量的Ge 3d光電子譜，可以分析出三個分 量，分別為B分量和Su分量與Sd分量，Su分量對於B的相對束縛能為 0.421 eV，Sd
對於B的相對束縛能為 0.7 eV。在 0.4-ML-Ge/Si(100)曝氣Cl2氣體後，光電子譜 的Su及Sd分量消失了，B分量的左邊出現一個分量，其對於B的相對束縛能為 0.57 eV，標為Ge+分量。而樣品蒸鍍上K後，Su分量出現，而後繼續把樣品加熱至不 同溫度每次加熱時間為一分鐘，待樣品冷卻至室溫後再測量，而能譜維持一樣。
圖中標示B、Su、 Sd和Ge+為分析的結果。其分別代表不同的能譜分量，而相同 的能譜束縛能其能譜分量標示為相同。譜線右方標為×2、×4 代表把光電子強度 增為原始數據的兩倍、四倍。
圖(3.5b)是 K 3p 的核心層光電子圖，在 0.4-ML-Ge/Si(100)曝氣 Cl2氣及蒸鍍
完鉀後所測量的光電子譜，共有四個分量，分別標為K 3s 束縛能約 34 eV，Ge 3d 束縛能約28.6 eV，K 3p 束縛能約為 17.9 eV，KCl 束縛能約為 6.1 eV。而各分量 束縛能皆為相對於費米能階。而後繼續把樣品加熱至不同溫度每次加熱時間為一 分鐘，待樣品冷卻至室溫後再測量。隨著樣品溫度加高，K 3s 及 K 3p 分量明顯 減少，但K 3p 分量直到 665K 還沒有全部消失，而 KCl 分量在 605K 時，就明顯 減弱。而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相同，可觀察出各能譜分量隨著溫 度增加，並無明顯移動，只有電子能譜強度有明顯減少。
圖(3.5c)是 Cl 2p 的核心層光電子圖，在 Si(100)上成長 0.4ML 的 Ge，飽和吸 附Cl2後所測量到的Cl 2p 光電子譜，當鍍上鉀時，能譜往高相對束縛能移動約 1 eV，而後繼續把樣品加熱至不同溫度每次加熱時間為一分鐘，待樣品冷卻至室 溫後再測量，而能譜隨著溫度增高漸漸往低相對束縛能移動，而電子能譜強度隨 著溫度增高而減小，直到665K，電子強度降為零。
圖(3.6)是各分量的能譜強度對加熱溫度(K)的關係圖，其中橫軸為加熱溫 度，縱軸為能譜強度。
圖(3.5a) 0.4-ML-Ge/Si(100)及表面飽和吸附Cl2氣體，而後蒸鍍三百秒鐘的鉀，再 加熱至不同溫度的Ge 3d 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右 方，入射光子能量為140 eV。相對束縛能是將 0.4-ML-Ge/Si(100)的Si 2p 內體分量定為 0 eV做調整。圖中標示B、Su、 Sd和Ge+為分析的結果。
其分別代表不同的能譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相 同。譜線右方標為×2、×4 代表把光電子強度增為原始數據的兩倍、四倍。
圖(3.5b) 在 0.4-ML-Ge/Si(100):Cl 表面蒸鍍三百秒鐘的鉀，再加熱至不同溫度的 K 3p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線右方，入射光子能量 為140 eV。圖中標示 K 3s、Ge 3d、K 3p 及 KCl，分別代表各不同的能 譜分量，而相同的能譜束縛能其能譜分量標示為相同。
圖(3.5c) 0.4-ML-Ge/Si(100)及表面飽和吸附 Cl2氣體，而後蒸鍍三百秒鐘的鉀，
再加熱至不同溫度的 Cl 2p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線
再加熱至不同溫度的 Cl 2p 核心層光電子能譜。樣品加熱溫度標於譜線