原子及分子的吸附.PDF

薄膜工程 周麗新 第二節　原子及分子的吸附 　　原子及分子在物體表面的吸附可分為四種形式 ： (1) 物理吸附(Physical adsorption 或physisorption) 　　吸附體 (adsorbate) 藉凡得瓦力 (van der waals force) 吸附在物體表面 上稱物理吸附 。由於作用力為超距力 ，因此在較高壓力下 ，可形成多層 吸附 。 　　吸附體的物理吸附能較低 ，約小於0.5eV/atom ，與其氣相原子凝結 熱相當 。 化學吸附 (2) (Chemisorption) 　　化學吸附可視為吸附體分子與物質表面原子 ，藉著一個或多個電子 軌道的重疊 ，而進行的一種化學反應。化學吸附有極高的方向性 ，一般 限制在表面單層 。 　　化學吸附鍵能很高 ，與自由分子中的主要化學鍵結能相當。 　　由於表面位置並非完全相同 ，原子在表面上的吸附熱，會隨著氣體 吸附量的增加而減少 ，如圖六十一所示，圖六十一中吸附熱隨表面覆蓋 量增加而減少 ，單層吸附後 ，原子就只能藉由物理吸附方式附著在物體 表面 ，因此放出能量將進一步減少 。 (3) 吸收(absorption) 　　吸收是指吸附原子擴散到固體內部的行為 ，小原子例氫、氮、碳等 最易發生此行為 ，由於原子必須藉著擴散進到固體內部，因此吸收過程 是一熱激發的過程 。 (4) 形成化合物(compound formation) 　　當吸附原子與固體表面的鍵結強過固體內部的鍵結時 ，吸附原子將 與表面原子形成化合物 ，例如氧化層的生成。圖六十二為氧化物之生成 熱與吸附體在金屬表面之吸附熱的比較 。化合物的形成也是一熱激發的 過程 ，因為必須打斷固體鍵結。 2.1 吸附力(adsorption forces) 55 薄膜工程 周麗新 圖六十一　氫原子在鎢薄膜上的化學吸附熱 ＝ (1eV/atom 23.1Kcal/mole) 吸附作用所牽涉的力與一般原子及分子間的交互作用無異 ，一般情 況下的弱凡得瓦交互作用是目前發展最完全的表面力理論 ，因此，此段 吸附力將只討論物理吸附 ，物理吸附時，吸附體在表面平衡位置上，同 時感受吸力及斥力 ，但此二力恰達成平衡。 　　先由兩個隔離原子(isolated atom) 的交互作用討論起 ，此交互作用可 以原子間位能表示 ，一般以半經驗(semi-empirical) 的方程式密位能(Mie φ 表示 ： potential) (r) 圖六十二　氧化物之生成熱與吸附體在金屬表面之吸附熱的比較 56 薄膜工程 周麗新 -e È Ê r ˆ m Ê r ˆ n ˘ 　　　 f r = ÍnÁ 0 ˜ - mÁ 0 ˜ ˙ ， ( ij ) Á ˜ Á ˜ (n - m) Í Ë rij ¯ Ë rij ¯ ˙ Î ˚ 其中 為原子 及 間的距離 ，而 為鍵結態的平衡距離， 及 為整