表面工学の基礎 - 北海道大学...crc hokkaido university 表面とはなにか...

表面工学の基礎

朝倉清高

CRC

Catalysis Research Center, Hokkaido University

CRC Hokkaido University

表面とはなにか

� 表面と界面

� 表面とは物質の一番外側バルク

� 界面とは２つの相の接する場所

Catalysis Research Center, Hokkaido University

相(Phase) =ある物質のどの部分をとっても同様の物理的性質を示すときこの物質は一つの相にあるという

たとえば、水銀を考えてみよう。何もない真空中で温度が十分に低いとすると、玉になるしかし、金属の上にのると、ぬれて、周りに広がる。これはなぜだろうか？


表面の役割について

� 外界との接点

� エネルギーや物質の出入り口

� 表面の性質により物質の物理化学的性質が変化する。


表面の関わる現象

� 触媒作用

� 腐食

� センサー

� 結晶成長

� 溶解蒸発昇華

� 摩擦摩耗

� 光電効果

•界面の電気伝導

•核融合炉の第１壁•ナノ粒子•毛細管現象


参考書

� 表面科学入門

� （小間、八木、塚田、青野編）

� 丸善株式会社表面科学シリーズ１

� 表面物理学（村田好正）朝倉書店

� 表面物性測定（小間）


表面科学

� 金属の表面を作ることの難しさ

� 吸着分子

� きれいな表面（清浄表面(Clean surface））が得難い。

� 表面を調べることの難しさ

� どうやってしらべるか？？？


表面の分子の吸着確率

2/120 )(107.2 −×= MTpN cm-2s-1p:Pa、M:分子量

10-4 Paで１cm2あたり窒素は、２．４Ｘ１０１４個衝突

表面原子の数表面原子の数表面原子の数表面原子の数 5*101４４４４個個個個/cm2

原子半径原子半径原子半径原子半径1.3Åで計算してみようで計算してみようで計算してみようで計算してみよう

数秒で１数秒で１数秒で１数秒で１ML


用語

� ML=monolayer 1分子層

� Pa=(Pascal=1Nm-2=10-5 bar=

10-2mbar=7.5 x10-3 Torr=9.87x10-6 atm)

� 1 Torr=133.322 Pa� hPa(ヘクトパスカル）= １０２ Pa=mbar

� 760Ｔｏｒｒ= 760 mmHg=1 atm

� L(Langmuir) =10-6 Torr・s（１ＭＬ完成するための露出量）


超高真空

� 10-7-10-9Paが必要

� ポンプ：IP,TSP,CP,TP

� 真空をはかる。

� ステンレス綱とベーキング

� Cuガスケットとナイフエッジ


ロータリポンプ

http://acc-web.spring8.or.jp/~sp8opr/Japanese/lecture/srvac/rp.JPG

Motor Pump


ターボポンプとイオンポンプ

� www.jeol.co.jp/jeol/kankei/finetech/ionpump01.htm


クライオポンプとソープションプンプ

http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/semicon_vacuum_tech/images/2_02_4a_f2.gif


TSPとゲッターポンプ

� 真空中でTiを加熱昇華させ、新鮮なTiの蒸着膜を作り、Tiのゲッター作用により気体の排気を行うゲッターポンプの一種。

ゲッターポンプゲッターポンプゲッターポンプゲッターポンプ

ポンプ表面に気体分子を不可逆的に化学吸着して排気する真空ポンプです｡超

高真空領域でも全ての活性なガスに対し

て高い排気速度を維持できるため､従来のポンプでは困難だったこの領域での水素の排気も容易です。


Diffusion pump

http://www11.plala.or.jp/nayama/ohnoklein/10genkazu1.gif

www.arios.co.jp/untiku.htm


真空をはかる

� Filamentから電子をGの向けてとばし、行き過ぎた電子でガスをイオン化する。そのイオン電流をはかって真空度を得る。(a)では、Gに電子が当たると軟X線が発生し、これが光電流のもとになっていて、これが超高真空まではかれない原因となった。bでは、Cが小さいので、軟x線の影響を少なくすることができ超高真空をはかることができる。

+

BA(Bayard-Alpert)ゲージ


超高真空のシール

超高真空のシールは、2枚のコンフラットフ

ランジの間に挟まれた銅ガスケットにより行われます。このコンフラットフラン

ジのシール面にはナイフエッジが加工

されており、重ね合わせた２枚のフラン

ジをボルトナットにより締め付けることで、銅ガスケットにナイフエッジを押し

込みます。こうして超高真空シールが

達成されます。ベーキングの高温に晒されてもこのナイフエッジは変形せず、超高真空のリークタイトを保持します。

http://www.marubun.co.jp/kagaku/vacg

en/catalogue/section01/page01_03.

htmlより

Flanges are bolted together with a copper gasket between the knife

edges.（（（（丸文）丸文）丸文）丸文）


表面のクリーニング

� スパッタリングとアニーリング

� 真空劈開


表面を見るー電子を使う

� 表面敏感性の原理� 弾性電子の平均自由行程

� 粒子が物質から非弾性的に飛び出せる距離電子の場合数Å―数十Å

平均自由行程/Å

光電子運動エネルギ/ eV

1 10 100 10001

10

100

1000


光電子放出

hve- e-

非弾性

弾性

運動エネルギー/eV

散乱される


イオン脱離

� イオンの脱離はほぼ表面第1層

� 電子刺激脱離

� 光脱離

� 出てくるイオンはプラスが多い

� なぜか？考えてみよう。


全反射（光）

� 全反射すると内部に入らない。

� 全反射とは何だったか。

� X線でも数nmしか浸透しない。


針を使う

� SPM(Scanning Probe Microscopy)

� STM(Scanning Tunneling Microscopy)


STM(Scanning electron microscopy)


ATOP SIが見える。

STM Picture of Si(111) 7x7


まとめ

� きれいな表面

� 超高真空（UHV) 作る技術・はかる技術

� スパッタリングーアニーリング

� 表面敏感

� 電子を使う。


今後の予定

対象：単結晶表面を扱う。

構造と電子状態

表面分析法について

逆格子の概念について学ぶ。

表面工学の基礎 - 北海道大学...crc hokkaido university 表面とはなにか...

Documents