表面物理研究和真空如影隨形，有好的真空，才有好的表面研究成果。

第三章 第三章 第三章

第三章 實驗儀器與理論 實驗儀器與理論 實驗儀器與理論 實驗儀器與理論

3.1 超高真空系統 超高真空系統 超高真空系統（ 超高真空系統 （ （ （Ultra Ultra Ultra Ultrahigh Vacuum high Vacuum high Vacuum， high Vacuum ， ， ，UHV UHV UHV UHV） ） ） ）

表面物理研究和真空如影隨形，有好的真空，才有好的表面研究成果。

接下來在這一節中，我們將介紹真空定義及相關理論、超高真空系統腔體的 構造與超高真空的達成方式。

3.1.1 真空理論 真空理論 真空理論 真空理論

『真空』(Vacuum)，就是空的意思，但並非如字面所指的空無一物。現 今我們所指的真空是根據西元 1958 年美國真空協會的定義『一個空間中的氣 壓小於大氣壓力』 ，即相對於大氣而言，一個空氣密度較小，氣壓較低的環境，

皆可稱為真空環境。因此『真空』一詞便有程度上的差別，故有時又以『真 空度』稱之；真空度愈高，表示一空間中剩餘氣體分子數愈少，即氣壓愈低，

所以高真空是指低氣壓；反之，低真空則指高氣壓。

當大致瞭解『真空』後，為何在從事表面研究的過程中需要超高真空的 環境，便成為接下來要討論的重點。這主要的理由可分為兩點：

首先，在進行表面研究的過程中，在探測技術上往往需要應用電子、離子等

自由粒子作為工具，藉由這些粒子和表面原子的互動行為，得知表面的結構

與成分。此時空間中的壓力必需低於 10

mbar，否則氣體分子和平均自由徑(一

個粒子在兩次碰撞期間所運動的平均距離)將會過短

，導致碰撞而損失。而

當壓力在 10

mbar 時，平均自由徑的長度大約為

cm，這個長度已經超過

一般真空腔的規格，足以到達探測工具的要求。

但即使在 10

mbar 的真空度下，一個乾淨的樣品表面也會在很短的時間 內被一層氣體分子所附著，如此在種種表面探測儀器的有效訊息只是最外層 的幾個原子層內的靈敏度來說，表面若附著其他雜質分子，勢必對表面的訊 息產生極大的影響。因此我們便希望能提高真空度，使得一原子層氣體覆蓋 所需的時間能大於實驗探測所需的時間，如此我們才可確定我們所得到的表 面訊息是真正來自原始樣品最表面的訊息，而不是被氣體分子覆蓋數層原子 層的表面訊息。

根據氣體分子動力學，ν 為單位時間碰撞單位面積的氣體分子數，

(3.1.1)

若取一個原子層約為 3 × 10

個/cm

，氣體平均分子量 M = 28、T=300K，

(原子層/秒) (3.1.2) 若附著機率為 s ， τ 為附著一原子層所需時間，

(3.1.3) 由上式可知，在 10

mbar 的壓力下，只需要數秒就會覆蓋上一個原子層的氣

n＝單位體積的氣體分子數（

cm

）

＝氣體分子平均速度

R＝理想氣體常數 M＝氣體分子量 T＝絕對溫度

p＝氣體壓力（mbar）

) s (cm MT 10 p

M 2.7 2 n RT v 4n

1 _{22 -2 -1}

×

≈

=

⋅

= π

ν

p s 10 s

1 ^-6

≈ ⋅

= ⋅ τ ν

表 表表

表 3-1 不同壓力下氣體分子的各種參數值

體分子，所以唯有降低真空度，才可以延長鋪上一層原子的時間。至於在不 同真空度下，假設附著機率 s = 1 時，各種不同的氣體分子運動參數整理如 表 3-1。從表中我們得知需在 10

mbar 的壓力下，我們才有數小時乾淨的樣 品表面以供操作實驗。

壓力(mbar) 10

10

10

10

10

n(1/cm

) 2.7×10

2.7×10

2.7×10

2.7×10

2.7×10

ν(分 子數/

秒)

2.8×10

2.8×10

2.8×10

2.8×10

2.8×10

λ（公分） 6×10

6×10

6×10

6×10

6×10

τ 3×10

3 秒 5 分 8.5 小時 35 天

3.1.2 超高真空腔與抽氣系統 超高真空腔與抽氣系統 超高真空腔與抽氣系統 超高真空腔與抽氣系統

1. 超高真空腔：真空腔體的結構如圖 3-1 所示(美國 MDC 公司製，型號 SSAC-12D)，此外尚有抽氣系統、蒸鍍系統、溫度控制系統、表面分析 系統…等等。

2. 抽氣系統： 本實驗室的抽氣系統包含四部分，目前真空腔的壓力最好 可達 3x10

mbar。

(a) 拖曳幫浦（Diaphragm Vacuum Pump） ：

 原理 原理 原理：利用週期性空間體積壓縮，將密閉空間的氣體壓力提 原理

高，進而排出至大氣中。但有些幫浦內部有油幫助潤滑，故難免

會有油氣回流真空腔之虞，但近年來也有無油式的幫浦問世。

 設備 設備 設備 設備：台灣漢彊公司代理，廠牌為 PFEIFFER，型號為 MVP 055-3。

(b) 渦輪分子幫浦（Turbo Molecular Pump）:

 原理 原理 原理 原理：渦輪分子幫浦利用高速旋轉的渦輪扇葉，將氣體分子撞擊 排出真空腔外，對不同氣體的抽氣效率有差別，一般而言，分子量愈 小的氣體愈難抽。而高速旋轉的扇葉難免會有震動方面的問題，若實 驗環境需要極好的無震動狀態則不甚合適，且高速旋轉的扇葉也不可 受外力震動，或大量氣體通過，否則會造成葉片受損；故一般分子幫 浦都有一機械幫浦作為前級抽氣設備，且在 10

mbar 以下的壓力才 會全速運轉。當真空腔內有大量氣體欲抽出時，也會先使其轉速降低 後再進行抽氣動作。

 設備 設備 設備 設備：台灣漢彊公司代理，廠牌為 PFEIFFER，型號為 TMU 521P。

(c) 離子幫浦（Ion Pump）:

 原理 原理 原理：離子幫浦的工作原理是將氣體分子離子化，然後利用電場和 原理 磁場，使其加速撞向活性大的鈦金屬板，進而吸附於上。其運轉時，

安靜無聲、沒有油氣產生的疑慮、不用冷卻裝置、操作時所需能量少、

壽命長…等都是其優點。但其適合的抽氣範圍為高真空，故並不適合

獨立於低真空中開始抽氣；故一般都配合機械及渦輪分子幫浦，等到

達到高真空後再交給離子幫浦獨立運作，在此種情況下，只要真空腔

不漏氣，即使遇到停電，只要電源一回復，離子幫浦也可立即恢復運

轉，是維護超高真空的利器。但不可避免的，由於離子幫浦內有極強

的磁場，因此在其附近會產生雜散的磁場，對其他偵測的帶電粒子可 能產生影響。

 設備 設備 設備 設備：美國 Varian 廠製 VacIon Plus 150 Diode，型號 919-0404。

標準抽氣速率 150

，使用壽命為在 1×10

mbar 的壓力下連續使用 50000 小時，工作電壓為 7000 V

±10%，最好可抽至壓力低於 10

mbar。

(d) 鈦昇華幫浦（Titanium Sublimation Pump） ：

 原理 原理 原理：鈦昇華幫浦的工作原理是利用大電流通過鈦燈絲，使鈦金屬 原理 加熱昇華為氣體，藉由鈦活性大、容易游離，進而吸附其它分子，再 由其它抽氣設備抽走。不同於前三種幫浦，被動的等氣體分子跑到幫 浦附近時才加以捕捉的方式，鈦昇華幫浦算是主動出擊的，但鈦幫浦 啟動時，由於鈦蒸汽的釋出，因此壓力會先上升，且鈦燈絲為昂貴消 耗品，故一般不長時間開啟，只是間歇以作為增高真空度之用。

 設備 設備 設備 設備：英國 ITL 廠製，型號 TSP4C。共有三根鈦金屬棒，工作電流 為 50 A。

單靠以上的抽氣設備來達到超高真空並不足夠，還必須在提高真空度的 過程中，將整個腔體進行烘烤的動作。並在達到超高真空後，將鍍源系統、

加熱系統、及各類探測儀器進行釋氣的步驟，如此才可得到一個好的超高真 空環境。

Fe oven

圖 3-1 超高真空系統裝置圖^[42]

3.1.3 樣品清潔與升降溫系統 樣品清潔與升降溫系統 樣品清潔與升降溫系統 樣品清潔與升降溫系統 1. 樣品清潔系統

我們採用離子濺射的方式清潔樣品表面。利用微調氣閥將氬氣 (99.99%)由小鋼瓶中引進離子槍(英國 VG Microtech 廠製造，型號為 EX03)內，使其壓力達 5 × 10

~ 1 × 10

mbar，此時離子槍再將其激發為 氬離子，並以電場加速之，使其離子動能為 1.5 keV～2.2 keV 撞向樣 品表面，將樣品表面的原子打掉，並藉由抽氣系統捕捉，以達到清潔樣 品表面的目的。

2. 樣品升降溫系統

經離子打擊過後的樣品，其表面原子被打亂，必定呈現凹凸不平的 表面，此時必須經過重新排列後，才有平坦的單晶面以供實驗。我們採 用退火效應(annealing effect)，也就是將樣品進行加熱，利用原子受 熱獲得動能，便能移動，進而達到重排的效果。

圖 3-2 所示，為樣品的升降溫系統，說明如下：

 加熱系統是用長 70 cm，直徑 0.25 mm 的鎢絲，穿過 17 根內徑 0.30 mm、外徑 1.2 mm、長 2 cm 的雙孔陶瓷(99.97% Al

O

)，並將之作 柵狀排列，置於樣品後方鉬盒內。加熱時，通電流使鎢絲發熱再傳 至樣品，並藉由 K-type 的熱電偶來量測樣品的溫度。

 降溫系統是以蛇管通入經液態氮降溫之 N

氣體冷卻 sapphire，藉

由 sapphire 導熱不導電的特性導走樣品熱量，達到降溫效果。此

外，本系統採用陵勝公司所製造的控溫系統(型號 818)，藉由控制

鎢絲電流與通入冷卻氣體的強弱，可使溫度控制在-100℃～1200℃

的範圍內。

3.1.4 蒸鍍系統 蒸鍍系統 蒸鍍系統 蒸鍍系統

本實驗室採用熱蒸鍍的方式鍍膜，通常會隨著鍍源金屬特性之不同而採不同 的架設方式，分述如下：

1. Co 鍍源：由於鈷受熱後可直接昇華，故採用直熱式的設計。我們將直 徑 0.5 mm 的 Co 絲（99.997%）直接固定於 feedthrough 上轉接頭

（adapter） ，如圖 3-3 所示。鍍源之製作是截取 150 mm 長，直徑 0.5

圖 3-2 樣品升降系統裝置圖^[42]

Thermal Couple

Sample後方的鉬盒 內之升溫系統

升溫用鎢絲 sample 冷卻用銅線

sapphire

液氮入口 液氮出口

圖 2-3 樣品升降溫系統

冷卻氣體入 冷卻氣體出

mm 的金屬絲，留一段 35 mm 的接腳，再繞在直徑 2.4 mm 的十字起子 上 8 圈(勿用一字起子，抽出時會括傷金屬絲)，然後將起子抽出。蒸 鍍時，由 feedthrough 上通以電流 4.6 A（功率約 11.76 W） ，即可使 Co 絲生熱而釋放出 Co 原子。

2. Fe 鍍源：鐵鍍源受熱可直接昇華，也採用直熱式的設計。鍍源之製作 是截取 150 mm 長，直徑 1 mm 的 Fe 絲（99.995%） ，留一段 35 mm 的 接腳，再繞在直徑 6 mm 的十字起子上 3 圈，接著將繞好的鐵鍍源接腳 包上鉬片，固定於 feedthrough 上轉接頭（adapter） ，因為鐵受熱會 軟化，包鉬片是加強鐵接腳，延常使用壽命，裝置圖同鈷鍍源。蒸鍍 時，由 feedthrough 上通以電流 11.2 A（功率約 33.94 W） ，即可使 Fe 絲生熱而釋放出 Fe 原子。

3.1.5 其他系統 其他系統 其他系統 其他系統

1. 壓力量測系統：美國 MDC 廠製造，型號 PGC3-2T。包含一 thermal gauge(可測 10

mbar 以上)及一 ion gauge(可測 10

mbar 以下)。

2. 表面探測系統：

圖 3-3 鍍源裝置圖

鍍源 adapter

feedthrough

圖 3-4 歐傑效應與光效應

 RFA-AES 系統，詳見 3.2。

 RFA-LEED 系統，詳見 3.4。

 SMOKE 系統，詳見 3.5。

3.2 歐傑電子能譜術 歐傑電子能譜術 歐傑電子能譜術（ 歐傑電子能譜術 （ （Auger Electron Spectroscopy （ Auger Electron Spectroscopy Auger Electron Spectroscopy， Auger Electron Spectroscopy ， ， ，AES AES AES） AES ） ） ）

歐傑電子能譜術可提供最表面數個原子層成分元素的種類分析，且可經 由歐傑電子訊號強度的量化分析計算出元素所佔的比例或濃度。

3.2.1 歐傑效應 歐傑效應 歐傑效應 歐傑效應

當原子失去一個內層電子，成為不穩定的激發態時，原子必定趨向釋放

能量，達到能量較低的穩定態；這樣的過程包含兩種方式，一種是 X-光激發

效應的過程，一種是歐傑效應的過程，如圖 3-4 所示分述如下：

(1) 能量為 E

的光子或電子撞擊原子，使 K 層電子游離，因而在 K 層產生 電洞，此時原子為不穩定的激發態。

(2) 未達到穩定態，較外層之 L

層電子躍遷至 K 層填補電洞，而釋放出能 量

。

(3) 此能量 E −

E

可以兩種方式釋放出來：

 直接以光子的形式釋放出來此即光效應。

光子能量 h ν ＝

L1

K E

E −

(3.2.1)

 此能量 E

− E

1

被更外層 L

層的電子吸收，而這能量大於 L

層的束 縛能 E ，使該電子脫離原子成為所謂的歐傑電子，而此效應即為歐傑

效應

。

歐傑電子能量

2 1L

EKL

＝

2

1 L

L

K E E

E − −

(3.2.2) 至於到底釋放能量的過程是產生光效應或歐傑效應，則與原子序 Z 有 很大的關係，其發生機率與 Z 的關係如圖 3-5 所示

，其中『點』是理論計 算的結果，而『實線』則是實驗擬合的結果。基本上歐傑效應是電子之間重

圖 3-5 歐傑效應與光效應產生機率與原子序之關係^[36]

新排列的一種過程，當原子序大時，代表電子數目較多，其相互間的牽扯較 多，不易重排，因此產生歐傑電子的機率也偏低。

由式(3.2.2)可知，歐傑電子的能量與入射光子或電子能量 E

無關，只 與原子內各軌域間之能量差有關，因此歐傑電子能譜術即可用於鑑別樣品表 面的成分。因電子分佈軌道的不同，一種原子通常可釋放出數種能量的歐傑 電子，常見的有 KLL、LMN…等。但因至少需有三個電子參與歐傑效應，故原 子序小於 3 之元素(H 與 He)即無法產生電子。

3.2.2 歐傑電子能譜 歐傑電子能譜 歐傑電子能譜 歐傑電子能譜

將能量為數千電子伏特電子束(或光子束)射向樣品，再偵測樣品表面游 離出的電子，分析其能量分佈圖形，即得所謂的電子能譜，如圖 3-6 所示。

在低能量處有很大的二次電子背景峰值之外，尚有許多小峰值，其位置隨樣 品種類而異，這些電子所代表的即是歐傑電子。

若要計算出能量為 E

的歐傑電子個數，則應該是峰值下的面積才是，但 因背景值甚大，因此歐傑電子的小峰值並不易觀察到。為解決這樣的問題，

常以高斯分佈函數來近似峰值，且由計算可推知能量 E

的電子個數會正比於

微分譜上(對能量 E 微分)極大與極小值的高度差，且微分能譜的高度差遠較

原始峰值明顯易讀取，如圖 3-7 所示。而 AES 手冊上所負的索引圖也均是微

分能譜，因此作 AES 時，一般先由儀器偵測電子能譜，再經電腦計算或其他

方式得到微分能譜。

3.2.3 阻 滯 電 場 分 析 儀 阻 滯 電 場 分 析 儀 阻 滯 電 場 分 析 儀 阻 滯 電 場 分 析 儀 （ （ （ （ Retarding Filed Analyzer Retarding Filed Analyzer Retarding Filed Analyzer Retarding Filed Analyzer- -- -Auger Electron Auger Electron Auger Electron Auger Electron Spectroscopy，簡稱 RFA-AES）

1. 基本構造

：

 如圖 3-8 所示，grid2 與 grid3 之間加上 U

及一很小的正弦電壓 U

sin ω t(由 Signal Generator 產生)，且此電壓之正負為阻止電子 由 grid2 向 gird3 運動；因此當電子槍以 3 keV 的電子動能將電子射 向樣品，樣品因電子的撞擊散射出各種能量的電子時，唯有能量大於 (Ur + U

sin ω t)的電子能夠通過 grid2 到達 grid3。

 grid1 與 grid4 接地的作用則是防止 Collector 與 grid3 或樣品與 grid2 之間產生電容效應，影響偵測。

 Collector 上通常會加上數百伏特的正電壓，藉以使通過 grid3 的

圖 3-6 電子能譜圖 圖 3-7 微分電子能譜圖

圖 3-8 RFA-AES 構造圖

電 子 加 速 撞 向 Collector 上 ， 形 成 可 偵 測 的 電 流 ， 並 經 由 Pre-Amplifier 放大後，再傳到 Lock-in Amplifier 分析。

 進 入 Lock-in Amplifier 的 訊 號 有 三 個 ， 其 中 兩 個 為 Signal

Generator 與 Frequency Doubler 所提供的 ω 與 2ω 的訊號，另一

個則為經 Lock-in Amplifie 放大的偵測電流。藉由選擇分析 ω 或 2ω

與電流訊號大小，再傳至 X-Y Recorder 作為 Y 軸電壓，同時以 Ur

作為 X 軸電壓，進而繪出電子能譜(選擇 ω)或微分電子能譜(選擇

2ω)。

r r

dU ) (E) d I(U

N ∝

L +L

′′ ⋅ +

′ ⋅ +

= I U U t

t U

U I U

I _{r r m} ^r _msin

! 2

) sin (

) ( )

( ω ^{2 2}ω

L +L

′′

⋅ ′

′ +

⋅

= ( )

) 8 ( )

(

3

r m

r

m U I U

U I U Aω

L +L

⋅

′′ +

⋅

= ( )

) 48 4 (

) 2

( ⁽⁴⁾

4 2

r m

r

m U I U

U U I

A ω

dE d

A U^m N(E)

) 4 2 (

2

⋅ ω =

2. 分析原理

： ( )

∫

eUr

r N E dE

U

I ( )

(3.2.3)

(3.2.4)

) sin

(U U t

I _r＋ _m ω

(3.2.5)

(3.2.6) 將上式表示成 ω、2ω、3ω…的函數：

L +L +

+

= (0) ( ) (2 ) )

sin U

(U ωt A Aω A ω

I _r＋ _m

(3.2.7)

其中， (3.2.8) (3.2.9)

(3.2.10) (3.2.11)

I(Ur): 阻 滯 電 壓 為 Ur時 的 電 流 N( E)： 能 量 為 E 的 電 子 數 目

對 Ur微分

加入 modulation 泰勒展開式展開

Um<<Ur，忽略其高次項

比較式

表 3-2 常用原子歐傑訊號能量值

取 ω 訊號對電子能量作圖，可得電子能譜。

取 2ω 訊號對電子能量作圖，可得電子微分能譜。

當 U

變大，則 A(ω)或 A(2ω)之值易變大，即讀取 peak 值會變大，

但 U

超過 peak 能帶寬的一半時，會有失真的現象產生。

3.2.4 歐傑電子能譜術的應用 歐傑電子能譜術的應用 歐傑電子能譜術的應用 歐傑電子能譜術的應用 1. 探測表面成分：

歐傑電子之能量和入射粒子之動能無關，只與歐傑電子來源的元素 能階有關，因此透過分析歐傑電子能譜的 peak 訊號位置，可得樣品的 元素成分，如表即為各種原子產生歐傑訊號之能量值

。

C CC

C 272 Co Co Co Co 53,656,673,716,775 N

NN

N 360,379,348 Ni Ni Ni Ni 61,102,716,783,848 O OO

O 468,483,503 Mo Mo Mo Mo 28,120,148,161,186,221 Ar

Ar Ar

Ar 180,200,215 Ag Ag Ag Ag 266,304,351,356 Ti

Ti Ti

Ti 27,387,418 Ta Ta Ta Ta 26,35,166,171,179,342

Mn Mn Mn

Mn 40,442,510,589,636 Pt Pt Pt Pt

43,64,158,150,168,237,251 ,357,390

Fe Fe Fe Fe

47,550,562,598,651, 703

Au Au Au Au

43,66,69,141,150,160,239,

255

圖 3-9 平均自由徑與電子能量之關係^[40]

但同樣是 Pt 元素所產生的 歐傑電子，卻可能因為參 與歐傑效應的電子軌道不 同，所以歐傑電子的能量 也有所不同。而電子能量 與其平均自由徑的關係如 圖 3-9 所示

，當電子能量 小於 10 或大於 1000 eV 時，

其平均自由徑大，即穿透 原子層的能力較高。當我

們偵測到這種能量的歐傑電子時，其訊號來源的深度範圍較大，也就 是一般所謂的表面敏感度較差。至於介於 10～1000 eV 的歐傑電子，

則因擁有較小的平均自由徑，即穿透原子層的能力較低，所以偵測到 這種能量的歐傑電子時，表示其訊號的來源可能在表面幾個原子層範 圍內，也就是具有較高的表面敏感度。

2. 探測成長模式：

藉由歐傑訊號對蒸鍍時間的作圖，分析其斜率的變化，可得薄膜成 長的模式演變為何，如圖 3-10 所示說明如下：

 當薄膜呈現二維方向成長時，歐傑訊號正比於吸附原子數，故訊號

對蒸鍍時間的關係圖為直線。

 當薄膜長滿一層之後，再吸附上的原子層會阻擋下層原子之歐傑訊 號，故關係圖雖仍為一直線，但直線斜率變小，使得恰一層處產生 一轉折點。

 若薄膜呈現三維島狀成長時，訊號隨吸附原子數增加而增加，但因 上層原子阻擋下層原子訊號，故關係圖從三維成長開始，就呈現斜 率漸小的曲線。

3. 刻度薄膜厚度

藉由歐傑電子微分能譜中，薄膜與基底的訊號比值，可計算出成 長於基底表面上的薄膜厚度，膜厚與歐傑訊號比之對照，詳見附表。

圖 3-11 為薄膜鋪覆在樣品表面上的示意圖，我們可藉由歐傑電 子微分能譜中，薄膜與基底的訊號比值，可計算出成長於基底表面上

蒸鍍時間 t1 t2 蒸鍍時間

B A

B A

t1 t2 蒸鍍時間 B

A

A

B

t1 t2

B A

A

B

F. M. mode S. K. mode V. W. mode

歐傑訊號 歐傑訊號 歐傑訊號

圖 3-10 歐傑訊號與成長模式之關係圖^[63]



 



 + +

) ( 1

) ( 1

A A

A B

E r

E r



 



 + +

) ( 1

) ( 1

A A

A B

E r

E r

∞

∞

B A

I I

B A

I I

B A

I I

∞

∞

B A

I I

的薄膜厚度，所用計算公式如下：

I =

I {1－

A E

d

e

−

} (3.3.12)

I =

I

A E

d

e

−

(3.3.13)

兩式相除： =

θ λ

θ λ

cos ) (

cos )

1 ( B A

A A A

A

E d

E d

e e

−

−

−

(3.3.14) 其中各項符號代表之意義如下：

a. I 、

I 分別為薄膜與基底的歐傑訊號強度。

即薄膜與基底的歐傑訊號比。

b. I 、

I 分別為純薄膜與純基底的歐傑訊號強度。

即薄膜元素與基底元素之歐傑相對敏感度

。 c. d

為薄膜的厚度。

d. E

、E

分別為薄膜元素與基底元素的歐傑電子能量。

薄膜 A

基底 B

電 子 槍 α

樣 品 法 線 方向

θ

歐 傑電 子 入 射電子

圖 3-11 薄膜 A 與基底 B 示意圖^[42] 圖 3-12 入射電子、歐傑電子與 樣品的方向關係^[42]

e. α 為樣品法線方向與入射電子方向的夾角。

f. θ 為樣品法線方向與射出歐傑電子方向的夾角。

g. λ

為歐傑電子在薄膜中的平均自由徑(IMFP)。

h. r

、r

分別為薄膜元素與基底元素之 back-scattering term。

計算結果如表 3-9,10

。

>

< cos θ

λ

(E

) λ

(E

) r

r

0.95493 6.12 1.13617 0.687536 0.520721 0.87485

Fe(ML) Fe(nm)

Fe(ML) Fe(nm)

0.1 0.02276 0.154679 3.1 0.70556 9.739724

0.2 0.04552 0.316599 3.2 0.72832 10.2995

0.3 0.06828 0.486032 3.3 0.75108 10.88117

0.4 0.09104 0.663255 3.4 0.77384 11.48551

0.5 0.1138 0.848561 3.5 0.7966 12.11333

0.6 0.13656 1.042248 3.6 0.81936 12.76545

0.7 0.15932 1.244626 3.7 0.84212 13.44273

0.8 0.18208 1.456017 3.8 0.86488 14.14607

0.9 0.20484 1.676754 3.9 0.88764 14.87638

1 0.2276 1.907179 4 0.9104 15.63462

1.1 0.25036 2.147649 4.1 0.93316 16.42176

1.2 0.27312 2.398533 4.2 0.95592 17.23884

表 3-9 歐傑訊號強度比值與 Fe 薄膜厚度對照表

1.3 0.29588 2.66021 4.3 0.97868 18.08689

1.4 0.31864 2.933076 4.4 1.00144 18.96701

1.5 0.3414 3.217537 4.5 1.0242 19.88032

1.6 0.36416 3.514017 4.6 1.04696 20.82799

1.7 0.38692 3.822952 4.7 1.06972 21.81122

1.8 0.40968 4.144793 4.8 1.09248 22.83125

1.9 0.43244 4.480009 4.9 1.11524 23.88938

2 0.4552 4.829082 5 1.138 24.98694

2.1 0.47796 5.192513 5.1 1.16076 26.1253

2.2 0.50072 5.570819 5.2 1.18352 27.30589

2.3 0.52348 5.964537 5.3 1.20628 28.53017

2.4 0.54624 6.374219 5.4 1.22904 29.79968

2.5 0.569 6.800439 5.5 1.2518 31.11599

2.6 0.59176 7.243791 5.6 1.27456 32.48072

2.7 0.61452 7.704886 5.7 1.29732 33.89556

2.8 0.63728 8.184359 5.8 1.32008 35.36226

2.9 0.66004 8.682867 5.9 1.34284 36.88261

3 0.6828 9.201088 6 1.3656 38.45847

<cosθ> ICo∞/IPt∞ λCo(EPt) λCo(ECo) rPt(ECo) rCo(ECo) 0.95493 8.05 1.209531 0.670902 0.816934 0.49435

Co (ML) Co (nm) ICo/IPt Co (ML) Co (nm) ICo/IPt 0.1 0.0222391 0.193246895 3.1 0.6894121 12.90413034 0.2 0.0444782 0.396330129 3.2 0.7116512 13.67198398 0.3 0.0667173 0.609644042 3.3 0.7338903 14.47182105 0.4 0.0889564 0.833597629 3.4 0.7561294 15.30484701 0.5 0.1111955 1.068615077 3.5 0.7783685 16.17231107 0.6 0.1334346 1.315136308 3.6 0.8006076 17.07550777 0.7 0.1556737 1.573617549 3.7 0.8228467 18.01577857 0.8 0.1779128 1.844531918 3.8 0.8450858 18.99451357 0.9 0.2001519 2.128370036 3.9 0.8673249 20.01315323 1 0.222391 2.425640652 4 0.889564 21.07319014 1.1 0.2446301 2.736871302 4.1 0.9118031 22.17617093 1.2 0.2668692 3.062608982 4.2 0.9340422 23.32369817 1.3 0.2891083 3.403420847 4.3 0.9562813 24.51743237 1.4 0.3113474 3.759894939 4.4 0.9785204 25.75909402 1.5 0.3335865 4.132640937 4.5 1.0007595 27.05046582 1.6 0.3558256 4.522290935 4.6 1.0229986 28.39339477 1.7 0.3780647 4.929500246 4.7 1.0452377 29.78979457 1.8 0.4003038 5.354948237 4.8 1.0674768 31.24164796 1.9 0.4225429 5.799339195 4.9 1.0897159 32.75100916 2 0.444782 6.263403217 5 1.111955 34.32000644 2.1 0.4670211 6.747897139 5.1 1.1341941 35.95084477 2.2 0.4892602 7.253605496 5.2 1.1564332 37.64580852 2.3 0.5114993 7.781341515 5.3 1.1786723 39.40726432 2.4 0.5337384 8.331948142 5.4 1.2009114 41.23766398 2.5 0.5559775 8.906299108 5.5 1.2231505 43.13954751 2.6 0.5782166 9.505300033 5.6 1.2453896 45.11554626 2.7 0.6004557 10.12988957 5.7 1.2676287 47.16838622 2.8 0.6226948 10.78104058 5.8 1.2898678 49.30089131 2.9 0.6449339 11.45976137 5.9 1.3121069 51.51598692 3 0.667173 12.16709694 6 1.334346 53.81670353

表 3-10 歐傑訊號強度比值與 Co 薄膜厚度對照表

4. 深度組成分析

搭配離子束濺射技術，以低能量離子束，清除表面原子，再掃歐傑，

重覆此動作，可對樣品表面至內部作縱深成分分佈分析。

3.3 低能量電子繞射儀 低能量電子繞射儀 低能量電子繞射儀（ 低能量電子繞射儀 （ （Low （ Low Low- Low -- -Energy Electron Diffractometer Energy Electron Diffractometer Energy Electron Diffractometer Energy Electron Diffractometer， ， ， ，LEED LEED LEED） LEED ） ） ） 除了 AES 外，LEED 也是研究表面最重要的工具之一。它可探測晶體表面 週期性的結構與排列，以及晶格常數等。

3.3.1 LEED LEED LEED 之基本原理 LEED 之基本原理 之基本原理 之基本原理

如圖 3-13 所示，晶體中層與層的距離為 d，當波長為 λ 的光波照射晶體 反射，若反射光的光程差為波長的整數倍時，則會形成建設性干涉，而產生 亮點，此即布拉格定律：

(3.3.1)

（n 為整數）

由於 2d≧λ，換言之，需要波長和晶格常數的數量級大約相同時才可滿 足。而一般晶體之 d 與可見光的波長 λ 並無法滿足，因此需 X 光探測才可產

圖 3-13 晶體示意圖繞射^[42]

d

d sin θ θ

E E m h p h

e e

4 . 150 2

=

= λ =

∗

∗

∗

+ +

= h a k b c

G l

c b a

c c a

×

⋅

= ×

∗ 2π

c b a

a b c

×

⋅

= ×

∗ 2π

c b a

c a b

×

⋅

= ×

∗ 2π

生繞射圖形。但由 X 光的穿透長度很大，其探測時之表面敏感度並不好，因 此利用波粒二重性(wave-particle daulit)的性質，以電子代替 X 光得到繞 射圖形。而電子的物質波長為：

(Å) (3.3.2) 而通常我們選用低能量電子，其動能約在 50～1000 eV，因對 Co、Ag、Pt 之 晶格常數符合 2d≧λ，且由平均自由徑對電子動能的關係圖可知，這樣能量 的電子其表面敏感度極佳。

繞射圖形所傳遞的並非表面實際晶格的排列，而是所謂的樣品的反商晶 格(reciprocal lattice) ，其中 h、k、

為整數，且與實 際晶格間的轉換如下：

； ； (3.3.3)

當考慮超薄膜之二維繞射，可得布拉格二維繞射條件為

：

*

*

b k a h k

Ghk =∆ = +

(3.3.4) 亦即當入射波與反射波的波數差

等於反商晶格向量時，會產生繞射亮 點，也就是樣品的反商晶格繞射圖形。因此再藉由傅利葉轉換，可得實際晶 格的模型。

3.3.2 RFA RFA RFA- RFA -- -LEED LEED LEED LEED 工作原理 工作原理 工作原理 工作原理

我們曾經在前面介紹過 RFA-AES，至於 RFA-LEED 在結構上可說和 RFA-AES

相去不遠，如圖 3-14 所示，其工作原理分述如下：

1. 電子槍燈絲加熱至電子可游離，再以數十電子伏特的動能 E 將電子射向 樣品，電子撞擊樣品後會散射回來，而被 RFA 收集起來。

2. gird2、grid3 及 grid4 共同接地，使樣品和 RFA 之間沒有雜訊電場折 射電子，使得電子可以安全通過三個柵極。

3. 樣品所散射的電子，其能量分佈的範圍很廣，由 0 到 E 的能量皆有可能，

而 LEED 所要的是能量未損失的彈性散射電子。因此在 grid1 上加上一 個能量恰為 E 的反向偏壓，使能量低於 E 的非彈性散射電子折回，藉以 收集到 LEED 所要的電子。

4. 當彈性散射電子通過 grid1 後，其動能已經降為零，此時便在螢光幕上

圖 3-14 RFA-LEED 結構圖 分離器＋

聚焦透鏡 screen 阻滯電場

加一 3kV 的偏壓吸引電子撞擊螢光幕，使幕上的螢光粉發光，而形成亮 點，此即低能量電能繞射圖形。

5. 螢光幕與所有的柵極都呈半球形，而樣品位於半球形的球心時，可確保 所有由樣品散射出的電子均勻分散的到達 RFA。

3.4 表面磁光柯爾效應 表面磁光柯爾效應 表面磁光柯爾效應 表面磁光柯爾效應 （ （ （Surface Magneto （ Surface Magneto Surface Magneto Surface Magneto- -- -Optical Kerr Effect Optical Kerr Effect Optical Kerr Effect， Optical Kerr Effect ， ，SMOKE ， SMOKE SMOKE SMOKE） ） ） ）

3.4.1 磁光柯爾效應 磁光柯爾效應 磁光柯爾效應 磁光柯爾效應（ （ （ （Magneto Magneto Magneto- Magneto -- -Optical Kerr Effect Optical Kerr Effect Optical Kerr Effect Optical Kerr Effect， ， ，簡稱 ， 簡稱 簡稱 MOKE 簡稱 MOKE MOKE MOKE） ） ） ）

線偏振光被鐵磁性材料反射後變為橢圓偏振光，這一現象名為磁光柯爾效 應

。磁光柯爾效應的原理，可將線偏振光視為左旋偏振和右旋偏振光的組 合，當外加磁場作用或鐵磁材料自發性的磁化使得磁性物質的介電常數 (dielectric constant)產生非對角線元素，此時左旋和右旋的折射率不再相 等，因此這兩種偏振光在樣品中會有不同的吸收係數與反射係數，造成反射 光振幅與傳播速率的不同（相位差不同），故經樣品反射後就形成了橢圓偏 振。此橢圓偏振光的長軸與原線偏振光的夾角 θ

，稱為柯爾旋轉角，而橢圓 偏振光的橢圓率 ε

，稱為柯爾橢圓率。按物質的磁化強度 M v

、樣品表面法線 n 及入射面 Σ 的關係，MOKE 有三種組合，如圖 3-15

所示：

圖 3-15 MOKE 效應的三種幾何組合^[47]

n n n

M M M

1. 極向柯爾磁光效應（Polar Magneto-Optical Kerr Effect，PMOKE）：

M v

之方向同時與樣品表面法線 n 及入射面 Σ 平行。

2. 縱 向 柯 爾 磁 光 效 應 （ Longitudinal Magneto-Optical Kerr Effect ， LMOKE）：

M v

之方向與樣品表面法線 n 垂直，但與入射面 Σ 平行。

3. 橫向柯爾磁光效應（Transverse Magneto-Optical Kerr Effect，TMOKE）：

M

v 之方向同時與樣品表面法線 n 與入射面 Σ 垂直。

3.4.2 SMOKE SMOKE SMOKE 及測量原理 SMOKE 及測量原理 及測量原理 及測量原理

可見光在一般金屬中穿透的深度約為數百埃，在這個範圍內磁光效應與 穿透深度成正比。當薄膜厚度約為一原子層(2 埃)時，其柯爾旋轉角約為 10

度

，如果有測量這個數量級靈敏度之磁光柯爾效應儀時，這時的 MOKE 便稱 為表面磁光柯爾效應 SMOKE。

在測量磁光柯爾效應前，依所選取線偏振光的方向，可分為兩種模式，

一為 P mode（入射光偏振方向平行入射面），一為 S mode（入射光偏振方向 垂直入射面），如圖 3-16 所示。而我們選擇以 P 波雷射光為入射光，讀取反 射光之 S 波訊號作為量測磁光柯爾效應的方式。

由理論可知柯爾旋轉角 θ

及柯爾橢圓率 ε

正比於樣品的磁化強度 M v

，且反

(a) (b)

圖 3-17 檢偏器與反射光關係圖

射光 P 波及 S 波電場分量與 θ

、ε

有下列關係

：

(3.4.1) 此時我們將檢偏器由平行

S 波的方向調整一小角度δ (δ ≈ 0

)

，如圖 3-17 所示，則反射光通過 檢偏器後的強度 I 可以表示為：

cos 2

sinδ _S δ

P E

E

I= +

(3.4.2)

將式(3.4.1)代入，且

、

、忽略 θ

、ε

的高次項得：

(3.4.3) 因柯爾旋轉角 θ

極小，故 E

«E

；且原入射光為 P 波，因此在未外加磁場 時原入射光經樣品反射後，通過檢偏器後的強度 I

可近似為：

(3.4.4) 則式(3.4.3)可改寫為：

(3.4.5)
(3.4.6) 最後得 (3.4.7)

由式(3.4.7)可知，柯爾旋轉角 θ

與反射光通過檢偏器後的強度變化 I ∆ 成正 比，而 θ

又與樣品磁化強度 M v

成正比，因此只要對 I ∆ 及外加磁場強度 H 作

ES

EP

I δ

K K P

S i

E

E ＝θ ＋ ε

2 ) ( δ

θ_K

o

o I

I I I= − =

∆

) 2)(

( I0

I

K

Δ θ = δ

2 ) 1

( δ

θ_K Io

I= +

hour

% 2

圖即可得磁滯曲線。

3.4.3 SMOKE SMOKE SMOKE SMOKE 元件 元件 元件 元件

本實驗室 SMOKE 儀裝置如圖 3-18 所示，各元件說明如下：

1. 入射光源：波長 532 nm、功率 5 MW、線偏振度 500：1 及強度穩定度 之綠光雷射，且調整為 P 波入射樣品表面。

2. 聚焦透鏡：焦距 50 cm，使雷射光聚焦在樣品表面。

3. 偏振器：方解石所製成的高精密度偏振晶體（Glan-Thompson），消光 比（extinction ratio）為 1 × 10

，穿透率 90%以上。其中起偏器與 P 波方向平行，用以提高入射光的偏振度。而檢偏器則與 S 波平行方向 夾一小角度，其目的已在前一節敘述。

4. 可調式光圈：過濾雷射光束通過光學元件時所產生的散射光，以減少 雜訊，並控制光點的直徑在 1 mm 左右。

5. 光偵測器：利用光電效應將雷射光訊號轉換成光電流值，本身內附放 大器將光電流值放大後輸出，其有效感光面積為 20 mm

。

6. 可程式數位電表：接收光偵測器所輸入的光電流訊號，並將之轉換成 光電壓值輸出，透過 IEEE488 標準介面與電腦連線。

7. IEEE488 標準電腦介面卡：以 quickBasic 程式語言撰寫的控制程式，

經由 IEEE488 標準界面卡控制電源供應器、數位電表及電流切換裝置。

8. 矽鋼電磁鐵：矽鋼材料由中鋼公司提供，在經由線切割加工而成，線

圈匝數約為 1000 匝，最大通入電流為 6 A，中心最大磁場為 950 Oe。

此外磁場可在 X-Y 平面上作 360

的旋轉，使得我們可以進行 PMOKE 與 LMOKE 的量測。

9.電源供應器：最大輸出電流 5 A、電壓 18 V，可透過 IEEE488 介面與 電腦連線。

10.電流切換裝置：經電腦介面卡控制，可切換進入電磁鐵的電流方向，藉 以切換磁場方向。

圖 3-18 SMOKE 裝置圖^[41]

電腦控制介面

S N

起偏器 檢偏器

光偵測器

數位式電表

電源供應器 綠光雷射 波長532nm

雷射穩定器 聚焦透鏡 光圈

真空腔 電流切換裝置

X-Y 平面