第五卷 第十期 - 2008年十月三日
以F(1s)邊緣連續時間光子激發脫附譜技術研究吸附在Si(111)-7×7的CF3Cl分子之軟x光光反應
溫清榕*、張慶宇、周玲君、陳正、吳映璇、張書齊、蔡瑋展、劉佳昌、王興焜、謝育秦


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單能量的軟x光引發吸附在固體表面的分子之反應已經成為一個非常有趣的研究課題。一般皆知,軟x光光子引起的蕊層或價層電子激發可以造成吸附物的解離。因為高強度軟x光同步輻射可以被用來引起半導體表面的位置選擇性化學反應,以及它的短波長特性可以讓光子引發的表面反應控制在極高的空間解析度,軟x光同步輻射被認為是適當的光源。因此瞭解半導體表面吸附物的光化學反應機制已變成一個十分重要的研究課題。

固體表面吸附物或凝固系統的位置選擇性化學截斷將導致選擇性離子解離或脫附。脫附離子產額隨入射光子能量的變化可以被測量,而得到光子激發脫附譜。而光子激發脫附譜的能閾及形狀可以提供引起解離或脫附過程的激發訊息。一般而言,在取得光子激發脫附譜的時間內,皆假設入射光通量非常小,以致於表面吸附物受入射光的破壞可以省略;故在重復掃瞄入射光子能量後可得到同樣的光子激發脫附譜。然而,就高強度的軟x光,尤其第三代同步輻射光源所產生的高通量真空紫外光或軟x光,以及具有高光解截面的分子而言;因為光子激發脫附本身導致的吸附物被破壞是不可以省略的,所以在重複掃描多個光子激發脫附譜時,我們可以觀測到一系列激烈變化的譜圖。此系列隨著光子暴露量增加而變化之光子激發脫附譜,我們將它命名為連續時間蕊層光子激發脫附譜。而獲得此連續時間光子激發脫附譜的技術,我們將它命名為連續時間光子激發脫附譜技術。既然一個光子激發脫附譜可以提供表面的化學鍵及電子結構,連續時間光子激發脫附譜可以被用來監督表面化學鍵結構—在入射光照射下一個特殊態的消失以及新鍵結之形成。

為了瞭解吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子經由F(1s)邊緣單能量軟x光之光解離而造成表面Si原子氟化態的形成,我們採用連續時間蕊層光子激發脫附譜技術來研究F+離子之脫附產額。我們測得一系列連續時間F+離子光子激發脫附譜。圖1顯示採用681−704 eV光子在各種光子暴露量下測得的吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子之一系列F+離子光子激發脫附譜。CF3Cl分子的注入量為0.3x1015分子/平方公分(~0.75單層)。每一個脫附譜的光子暴露量是以1016光子/平方公分標示於每個曲線的右側。另一延伸圖1的一系列連續時間F+離子光子激發脫附譜示於圖2。如前所述,每一個F+光子激發脫附譜是以重複掃描入射光子能量而得到的,故光子激發脫附譜的形狀變化是由於吸附的CF3Cl分子被破壞的結果。
圖2:採用681−704 eV光子,在各種光子暴露量下測得的吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子之連續時間F+光子激發脫附譜(此系列是圖1的延伸)。(a)與圖1(f)相同,而(b)至(f)是更多光子暴露下測得的F+光子激發脫附譜。在脫附譜(f)內687.0和689.6 eV的峰是分別歸屬於表面SiF之F(1s)蕊層電子被激發至具有垂直於表面對稱性的未被佔據態與完全侷限於F原子的最終態。
圖1:採用681−704 eV光子,在各種光子暴露量下測得的吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子之連續時間F+光子激發脫附譜。CF3Cl分子的注入量為0.3×1015分子/平方公分(~0.75單層)。每一個脫附譜的光子暴露量是以1016光子/平方公分標示於每個曲線的右側。在脫附譜(a)內690.2和692.6 eV的結構是分別由吸附的CF3Cl分子之F(1s)蕊層電子被激發至11a1[(C-Cl)*]和(8 e+12a1) [(C-F) *]反鍵結軌道而得到的。至於在脫附譜(b)內687.0 eV的峰是歸屬於表面SiF之F(1s)蕊層電子被激發至具有垂直於表面對稱性的未被佔據態。


我們也測量CF3Cl分子固體之F(1s)邊緣F+光子激發脫附譜與總電子產額譜。F+光子激發脫附譜與總電子產額譜皆顯示在690.2和692.6 eV的兩個結構,我們分別將它們歸屬於CF3Cl分子之F(1s)蕊層電子被激發至11a1[(C-Cl)*]和(8e+12a1) [(C-F) *]反鍵結軌道。經由歐傑衰竭過程,兩個孔洞被製造在F(2p)或C-F鍵軌道上,而形成能夠讓F+脫附的2h1e終結態。這個讓CF3Cl分子固體產生F+脫附的光子激發脫附機制也被用來說明系列F+離子光子激發脫附譜的第一個譜線。而系列F+光子激發脫附譜譜線形狀的變異顯示隨著光子暴露量增加CF3Cl分子的耗損以及表面SiF之形成。從系列F+光子激發脫附譜,我們得到CF3Cl分子被變化能量(681−704 eV)的光子照射之光解截面約為1.0×10-17平方公分.
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