銀-銥表面合金形成與結構研究

王劭駒

指導教授 ： 蔡志申

國立臺灣師範大學/理學院/物理學系/碩士(2010年)

摘要

在奈米材料以及表面科學中，合金的形成一直是重要的研究課題。過去的研究中指出，部分塊材尺度下彼此互不相溶的元素，在少於一個原子層的表面上有機會形成表面合金。近來在Co/Pt(111)的磁性研究發現Co-Pt的表面合金效應能使超薄膜的磁化方向由平行膜面轉為垂直膜面的磁化方向，並且能使磁滯曲線方正度(squareness)提升，此一有趣現象正好符合磁性超薄膜能做為高密度記憶材料的重要因素之一。因此，我們想了解在Ag/Ir(111)的表面上是否也能形成類似的表面合金結構，使得後續成長的Fe/Ag/Ir(111)有垂直磁異相性的現象發生。
本實驗之研究包含超薄膜表面合金製作成長與表面特性量測，實驗全部過程皆在超高真空環境下進行，最佳壓力為6.6 × 10-11 mbar，主要使用歐傑電子能譜儀(Auger electron spectroscopy, AES)來分析表面原子的成份以及相對濃度，並搭配低能量電子繞射儀(low-energy electron diffraction, LEED)來觀察表面結構的變化。
首先，不同相(out-of-phase)分析實驗結果顯示，Ag薄膜在基底Ir(111)上比較接近不完全層狀成長(incomplete layer-by-layer)的成長模式。熱退火效應實驗結果顯示，Ag約在800 K開始有退吸附的現象，Ag351的歐傑訊號強度約在550 K即開始有小幅度的下降，這個現象原因是Ag與Ir介面處的Ag原子，因為受到熱擾動的影響而開始擴散到Ir(111)的表面層，並且深度組成分析實驗證實，Ag與Ir介面處的Ag原子經過熱退火至700 K的程序後，確實受到熱擾動的影響而擴散到Ir(111)的表面層形成Ag-Ir表面合金的結構。
下一步，反商晶格實驗結果顯示，在尚未熱退火程序之前，因為Ag鍍在Ir(111)上為不完全層狀成長，由於Ag原子的晶格間距較大，當Ag鍍上Ir時會影響Ir的晶格間距使得平均最鄰近距離略為增加；經過熱退火程序後，因為經過熱退火程序後Ag原子受到熱擾動的影響，部分的Ag會擴散到Ir(111)的表面層形成Ag-Ir表面合金，並且隨著Ag層數的增加，經由熱退火效應擴散至Ir的Ag越多，造成2倍平均最鄰近距離的反商會逐漸變小，代表平均最鄰近距離會逐漸變大。LEED I-T實驗結果顯示，從常溫升溫到420 K左右的過程中，表面結構並無改變，仍然是Ag原子以不完全層狀成長模式堆積在基底Ir(111)上的表面結構；從420 K左右升溫到600 K左右的過程中，隨著溫度增加表面結構正在改變，原因為在升溫的過程中Ag原子受到熱擾動的影響，部分的Ag會擴散到Ir(111)的表面層內形成Ag-Ir表面合金，並且隨著溫度增加，Ag-Ir表面合金呈現出更有規則性的表面結構；從600 K左右升溫到700 K後再降溫回到常溫的過程中，表面結構並無改變，樣品表面已經成為穩定Ag-Ir表面合金的表面結構，並且以0.75 ML Ag/Ir(111)表面合金現象最為明顯。LEED I-V實驗結果顯示，在一層以內熱退火效應前後的表面晶格層距並沒有太大的改變；一層以上表面晶格層距由於Ag原子的晶格參數較大的影響，隨著Ag原子增加表面晶格層距越大。
最後，Fe/Ag/Ir(111)薄膜成長實驗結果顯示，樣品在鍍Fe時所吸附的氧並不是由Fe鍍源來的，並且Ir(111)上先鍍Ag再鍍Fe可以減少樣品在鍍Fe時所吸附的氧，表示Ag有效的降低基底Ir(111)對氧的催化能力。

關鍵字

超高真空 ； 表面合金 ； 銀 ； 銥

參考文獻

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