定量探讨形成表面合金时之扩散活化能-东海大学机构典藏系统.pdfVIP

東海科學第四卷：13−23 13 91 年7 月 定量探討形成表面合金時之擴散活化能 蔡佩蒼* 周棟煥* 蔡志申* 摘 要 由於表面合金的形成只牽涉到最表面一兩層的原子，古典方法上應用連續流概念處理擴散現象 將不再適用。在此我們將報告如何運用蒙地卡羅電腦數值模擬分析配合低能量電子繞射術與歐傑電 子能譜術，決定表面原子在表面合金化過程時的活化能。以厚度不超過一個原子層的銀/鉑(111)超薄 膜為例，在加熱退火的過程中銀原子混合進入鉑單晶的最表面層而形成二維的表面合金。我們使用 蒙地卡羅電腦模擬的方法與實驗所得的數據比較，得到了當形成二維的表面合金結構時，在銀/鉑(111) 超薄膜系統中表面原子的擴散活化能為0.95±0.11eV 。銅在525K 時，開始與鉑(111)基底產生界面擴 散作用，此表面合金化現象只限於最表面的兩個原子層。配合蒙地卡羅電腦數值模擬分析與歐傑電 子能譜術，可以推算出形成銅/鉑表面合金時表面原子的活化能為 1.11 ±0.12eV/atom 。 關鍵詞：擴散 、表面合金 、低能量電子繞射術 、歐傑電子能譜術 、蒙地卡羅電腦數值模擬 。 一、前 言 在材料物理領域中 ，合金化現象是一個相當重要的課題。某些種類的元素在一般的狀況 下是不會混合在一起的，然而當被侷限在表面的單原子層尺度下，居然可以發現到有二維的 合金現象發生[1, 2] 。這種表面合金化現象，在表面化學過程的應用上是非常重要的，譬如應 用在異質介面的催化上。表面原子在表面合金形成的過程中，它的活化能大小對討論合金形 成的速率是一個很重要的參數。由於表面合金的形成只牽涉到最表面一兩層的原子，古典方 法上應用連續流概念的Fick’s 定律不再適用[3, 4] 。在此我們將報告如何運用蒙地卡羅(Monte Carlo)電腦數值模擬分析配合低能量電子繞射術與歐傑電子能譜術，決定表面原子在表面合 金化過程時的活化能。並以僅限於最表面層的銀/鉑及銅 鉑 表面合金為例，進行表面合金 50 50 動態的研究。 * 東海大學物理系 14 二、儀器裝置 -10 Torr 以下。我們藉由離 本實驗環境是在超高真空環境下進行，背景壓力維持在3 ×10 子真空計和殘餘氣體分析儀來作壓力的讀取與檢查。在超高真空腔裡，裝置了四極式低能量 電子繞射儀 、歐傑電子能譜分析儀和紫外光電子能譜分析儀。低能量電子繞射圖形是由電腦 控制影像處理器所記錄下來，並利用電腦程式去分析灰階的分佈，藉此可觀察低能量電子繞 射亮點的強度。 所使用之鉑(111)單晶樣品由x 射線繞射方式確定其方向不準度在0.5°以內，鉑(111)樣品 表面是利用氬離子轟擊方式和加熱退火來處理，退火溫度約 1100K 。如此的離子濺射和退火 處理過程將持續到所觀察到的低能量電子繞射圖形呈現 1 ×1 排列、明亮的繞射亮點，還有低 -7 Torr 的氧壓下加 繞射背景強度。在離子濺射之前，鉑(111)表面上剩餘的碳，必須在5 ×10 熱到 870K 去除之。樣品表面上是否殘存雜質是利用歐傑電子能譜分析儀來檢驗。薄膜成長 速率是以歐傑訊號對時間的圖形和低能量電子繞射亮點強度振盪圖形來決定，而覆蓋層的厚 度也另外利用石英振盪膜厚計作校準確認[5,6] 。 三、實驗結果與討論 在鉑(111)上銀超薄膜是以偽晶方式成長，顯示銀原子在鉑(111)表面上是以最緊密堆積方 式排列。在低於 750K 的溫度下加熱退火後，低能量電子繞射的圖譜上依舊看到表面原子呈 現 1 ×1 的結構排列。在