1. Introduction about Surface

본 글은 고려대학교 화공생명공학과 하정숙 교수님의 강의록을 참고하였으므로,
이를 상업적으로 이용하면 안되며, 글을 가져가실 때는 꼭 출처와 댓글을 남겨주시기 바랍니다.

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chapter 1. Introduction & Surface

1. Subject of surface science

Study mechanical, electronic, and chemical properties of surfaces via investigating the chemical composition and atomic arrangement

이렇단다... 음 일단 원자배열의 화학적 조성을 조사 → 성분,성질들이 어떻게 달라지는지에 대한 학문이라고 생각한다.

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2. What is surface? (vs bulk solid)

• 특정 면에 따라 자른 면이라고 생각하자.
• solid의 상단의 원자 layer들을 말한다.
• 3 different kinds of surfaces : 110, 100, 111

평면 사진

2-1) Bulk exposed plane

• surface 위치 = bulk의 전체적인 위치, 동일하다.
• Z-direction으로 주기성이 없어짐 : 전자적인 구조를 바꾼다.
• dangling bond가 형성 : 이 부분에서 dangling bond가 chemical reaction을 일으킨다. (다른 atom과 bond를 형성할 수 있다.)

2-2) Relaxtion

• x-y plane은 동일하지만, z축이 변한다.
• selvedge : surface region a_r 만큼 떠있어서, z길이가 bulk 보다 긴 길이를 가지는 것을 말한다.

2-3) Reconstruction

• bulk solid와 완전히 다른 symmetry를 하고 있는 structure로 surface atom들이 재배열한다.
• reconstruction의 결과 : atomic vibration, chemical or optical eletronic 행동.

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3. Importance of Surface

내 생각에는 이 부분이 제일 중요하다. 우리가 과연 surface를 왜 배우는지!!

표면의 특징 : Dangling Bond

1. Bulk 와 다른 특징을 가지는 것!!
2. 모든 과정, process들은 표면에서부터 출발한다.
3. surface의 Dangling bond :
   1. 정의 : chemical bond를 할 수 있는 bond 로써, solid의 z축 방향으로 남는 잉여의 bond이다.
   2. 역할 : gas 분자들이 chemical reaction을 하도록 도와주는 역할을 한다.
   3. 응용 :
      1. nano-processing
      2. heterogeneous catalysis : 우리가 실제로 쓰는 모든 촉매들은 heterogeneous 다. (분리가 쉽기 때문)
      3. corrosion
      4. semiconductor (etching, passivation : dangling bond에 H를 주어 반응성을 떨어뜨려 불활성화 시킨다, epitaxial growth : 똑같은 symmetry로 성장하는 것.)

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4. Need for UHV (ultra-high vacuum)

UHV는 표면의 불순물을 없애기 위해 꼭 필요한 환경이다.

 

$n_s$ = $¼N_gυ =N_g(RT/2πM)½ ~$ // $~ 3.5 * 10^{22} P/(MT)½ [cm^{-2} s^{-1}]$

$n_s$ : 1초에 $1 cm^{-2}$에 부딪히는 gas의 수
$N_g$ : 단위부피당 gas의 수 (압력이라고 생각하면 좋다. $N_g$가 크면 $n_s$도 크다.)
$υ$ : gas의 열역학적 평균 속도

 

1초에 $1cm^{-2}$에 부딪히는 gas의 수 = 단위부피당 gas의 + 열역학적 평균속도에 비례한다.
따라서 P, 압력을 낮추면 UHV 조건으로 되어서 표면에 불순물이 없어진다.

4-1) Example

1. $1$ ~ $2*10^{15} atoms/cm^2$ : 한 mononlayer의 구성
2. sticking coef : (표면에 달라붙는 속도) / (gas or liquid이 surface에 충돌속도)

RT에서 $N_2$ 분자는 $n_s$ ~ $1/3 * 10^6 * P$ (monolayer/s), 이고 $τ_c$, coverage time은 ($3 * 10^{-6}/ P$) sec

• $P=10^{-6}$ Torr 일 때는 monolayer를 덮는데 3초가 소요된다.
• $P=8.3 * 10^{-10}$ Torr 일 때는, monolayer를 덮는데 1hr 가 소요된다.
• $P < 10^{-9}$ Torr, to get experimental time > 1 hr
• UHV: 10-9 ~ 10-11 Torr , HV: 10-5 ~ 10-8 Torr

4-2) Mean Free Path

MFP : particle (electron, photon, atom, molecule 등) 입자들 간에 평균거리를 의미한다.

4-3) Vacuum

사진

• 압력이 낮을수록 MFP가 길어진다 : 자유분방하게 움직이는 거리가 길어진다. 또한 collision이 적어지고 molecule이 surface에 부딪히는 수도 줄어든다.

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5. How to make UHV ?

5-1) Vacuum chamber-low outgassing

• Vacuum chamber (스테인리스)에 붙어있는 gas들을 서서히 빼낸다.
• Conflat flange에 Cu, Au , In 같은 gasket을 낀다. 이는 연성을 가지고 있어 sealing이 된다.

5-2) Pumping

• gas들을 빼내는 역할을 한다.

5-3) Materials inside vacuum chamber

• Sample을 고정하는 holder가 있다. sample을 열적으로 가열할 수 있다.
• SS, Mo, Ta : High Vapor Pressure를 피한다
• Cu : 높은 전기전도성을 가진다.

5-4) Baking at high temperature

• 온도를 올려서 surface의 기체를 빼낸다.

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6. Prepartation of automatically clearn sample surfaces

어떻게 보면 이 부분은 공정에서 굉장히 중요한 부분이다.

6-1) Outgassing in UHV

100 faces of Alkali Halide : NaCl, LiF, NaF, KCl

6-2) High temperature heating near Tm (melting point)

• O, C, S를 제거한다.

• Si(100), Si(111) : UHV에서도 O, C, S 는 잘 안 떨어져서 가열해줘서 제거한다.

6-3) High temperature heating in gases

• surface 에서 C를 CO2로 바꾼다.
• H2를 함께 넣어주어 Oxide를 reduction 시킨다.

6-4) Noble gas bombardment (Ar+, Ne+)

• surface에 이온들을 던져줌으로써 표면의 분자들을 부딪히게 해서 gas로 만드는 방법.