脉冲激光沉积的金属原子团簇的电子状态及生长的研究

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1、第12卷　第6期强激光与粒子束Vol.12,No.62000年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,2000文章编号:1001—4322(2000)06—0694—05脉冲激光沉积的金属原子团簇的X电子状态及生长的研究1,21111赖新春,　米·阿·普希金,　维·伊·特拉扬,　弗·尼·特罗宁,　安·弗·韧戈维奇(1.莫斯科国立工程物理学院,莫斯科115409;2.中国工程物理研究院,绵阳621900)　　摘　要:介绍了采用X射线光电子谱(XPS)等技术研究脉冲激光沉积在Ni、Mo、C、NaCl(100)表

2、面的Cu、Au原子团簇的电子状态;结合Cu2p3ö2X射线光电子谱峰和CuL3M4,5M4,5俄歇跃迁分离了电子结合能的初态和终态贡献,得出了它们随Cu表面浓度变化的关系,并对之作出了解释。使用XPS、RBS、TEM三项技术研究了Au在NaCl(100)表面的生长过程,通过计算得出了在不同表面浓度下Au原子团簇的平均高度和表面覆盖率。　　关键词:沉积;　原子团簇;XPS;　初态效应;　终态效应;　俄歇参数　　中图分类号:O572文献标识码:A[1,2]　　脉冲激光沉积(PLD)技术最近在用于金属薄膜及多层膜的制备方面得到了广泛的应用。在进行表

3、面及界面研究时,经常要在超高真空中沉积后进行原位分析,传统的方法采用热蒸发,但是该方法有以下不足:难以用于高沸点物质、不易进行少量沉积及精确控制沉积量,而采用PLD方法则可克服上述困难,并且有良好的重复性及易进行反复及多组份异质沉积。PLD与热蒸发沉积相比有如下的不同之处:在基材表面粒子的沉积速度要远高于热蒸发沉积,620-2-114-2-1jlaseröjtherma≈l10(jlase≈r10cms,jtherma≈l10cms);被沉积的粒子具有较高的能量,可达数百eV,[1]而热蒸发沉积的原子的能量一般为几个eV;沉积束流中有少量的粒

4、子为离子,最多达5%。　　纳米结构原子团簇是介于固体和孤立原子之间的一种介观状态,利用实验了解其电子结构在由孤立原子→原子团簇→固体的演变过程中如何变化具有重要的意义。要进行这样的研究首先要能获得纳米量级的原子团簇,其次要使用一定的测试手段对这样的原子团簇进行研究。在过去的三十年研究的[3]比较多的是采用热蒸发沉积方法获得的“金属原子团簇ö基材”系统,最近C.R.Henry、M.Babumer[4]M.等给出了这一研究方向的综述,随原子团簇尺度的增加较为统一的结果有以下几方面:(1)XPS测得的原子内壳层结合能减小;(2)原子内壳层XPS谱峰

5、的半高宽FWMH减小;(3)价带谱峰变宽。尽管如此在这一领域不同的研究者之间的结果仍有分歧,原因是多方面的:基材表面状态、沉积过程及条件的控制、沉积量及原子团簇尺度的估算等。为了对“金属原子团簇ö基材”系统的物理本质有正确的反映需要大量的实验结果的支持及改进沉积手段和测试技术,以便能比较不同研究小组的结果。表面分析技术是研究“金属原子团簇ö基材”系统的有效手段,其中应用较多的是XPS、AES(俄歇电子谱)、ISS(离子散射谱)、STEM(扫描隧道电子显微镜)等,此外TEM(透射电子显微镜)也应用较多。在本工作中采用了XPSöXAES(X射线激

6、发的俄歇电子谱),RBS(卢瑟福背散射能谱分析)及TEM三种技术对由PLD方法获得的“金属原子团簇ö基材”系统进行研究。1　实　验　　为了实现上述目的超高真空实验,我们建造了与KratosXSAM2800表面分析系统制样室配套使用的扫描脉冲激光装置,该装置的示意图如图1。薄膜的沉积如图示采用PLD方法在KratosXSAM28003+表面分析系统的制样室中进行,所用的激光器为YAG:Nd(掺钕钇铝石榴石激光器),波长为1106Lm,X收稿日期:2000208218;修订日期:2000210224基金项目:RussianStateProgram

7、"SurfaceAtomicStructures"作者简介:赖新春(19692),男,博士研究生。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第6期赖新春等:脉冲激光沉积的金属原子团簇的电子状态及生长的研究695工作在调Q模式下(S=15ns),重复频率为25Hz,单脉冲能量为80mJ,PLD装置还配有由微机程序控制的机械扫描聚焦系统,该微机程控系统可以使聚焦激光束在样品表面进行扫描及在不同的样品表面间转换,改变激光的工作参数及靶和样品之间的空间几何关系(距离和

8、12-215角度)可获得每脉冲1×10cm至1×10-2-6cm的沉积量。制样室的真空度约为1×10-7Pa,主分析室的真空度约为2×10Pa。实验中Fig.1Sc