33958

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33962

33963

3901

70032266

Inoue, Kentaro

Ishihara, Naganori

Nishimori, Katsumi

Tokutaka, Heizo

イシハラ, ナガノリ

イノウエ, ケンタロウ

トクタカ, ヘイゾウ

ニシモリ, カツミ

井上, 健太郎

徳高, 平蔵

石原, 永伯

西守, 克巳

Japanese

Tottori University Research Result Repository

LEED(低速電子線回折)による KCI(loO)お よびMgO(100)表面の研究西 守 克 巳*・ 徳 高 平蔵 *・ 井上健太 郎 *・ 石 原  永 伯 *(1973年 5月 1日 受 理)Smdies of KGl(100)and MgO(100)Surfaces byLow Encrgy Electron DiffractionKatsunli NIsIIMORI*,Heizo ToKUTAKA*,Kentaro INOUE*, and Naganori lsHIHARA*,(Received Mav l,197のAbstract              iThe apparatus for LEED intensity measurment was made. After selecting aLEED sPot through an eye―PieCe of the telescope,the intensity measurement canbe carried outだ or this spot only by tilting a retlecting mirror.Using an above apparatus,the air cleaved(10の  KCl and MgO sur£ aces wereobserved. Following T, N. Rhodin's theoryS)these freshly cleaved surfaces haveshown super periodic structures.However, after annealing at 300° C or electronbombardment,these(100)KCl surfaces have shown simple cubic structures,1。 ま え が き団体表面あるいは薄膜のエピタキシャル成長などの研究手段として LEED(低速電子線回折)が用いられることはよく知られている。1)2)LEEDで は電子の劇達距離が表面からわずか数原子層にすざないので,結晶のバルクとしての構造を観察するより,表面,あるいは薄膜の原子の配列構造を観察するのに最も適している普通 LEEDでは結晶からの回折パターンと,その回折スポ、ットの入射電子ビームの加速電圧依存性を観察して結晶表面の配列状態を調べることが行なわれている。我々は,特に,その回折スポットの Intensityの 電圧依存性を定量的に把握するため,望遠鏡と光電子増倍管を組み合わせた,LEED sPot lntensity‐ Voltage(I― V)測定装置を製作した。この報告では,まず I― vカ ーブに於ける Braggピ―クからはずれた分数次オーダーのピークの発生することの原理的な説明を述べ,次に製作した I― Vカ ーブ測定装置の概略を示し,そ してそれを用いて行なった測定例とその検討を述べる。 特に空気中努 開した KClとMgOの (100)面からの (00)ビームの I― Vカ ーブを比較した場合,MgOに 比べて KClの表面構造は大変に不安定であることがこの実 験 か らも結論 される3)。2.理    論格子面間隔dを有する平行な格子面に入射角θで入射する波長λの電子波の反射は Braggの条件によって2dsinθ =nえ の時結晶からの回折線は強め合い,こ の時 I―vカ ーブは IntenSityの ピークを示す。ここで nは整数である。ところで実験結果では,時にはnが分数であるような入射電子の加速電圧に於いてもピークが見ら漁*電子工学科 Department o£ Electronics鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 4巻 第 1号る こ と が あ る 。 こ の 現 象 を J・ J・ Lander4)及 び T,N.―Rhodin5)に よ り説 明 す る と ,ま ず J・ J・ Landerは 一 般 の(hk)ス ポ ッ トの 構 造 因 子 に つ い て 次 の 式 を 提 案 し た 。Fル (え,θ力つ=Σ ウ (つ 乃 (え,θ力の eXP 2π J〔力″′′十rt・7ノ +(1+θ膀)ヽ許〕,(1)ここで ″0)は入射電子の格子面から次の格子面への透過因子である。力 ●,θZの は単位格子内の i番 目の原子の電子波長 えにおける角度 θル に於ての散乱因子である。最後に 々 ,",々 は単位胞に於ての j番目の原子の位置である。この Landerの式を Fig.laに 示すような2種の格子面の繰返し構造をもつと仮定する結晶モデルに適用すると,T・ N.Rhodin5,に より構造因子 F(⊃ は次式の(c)                                    (d)Fig。 1 時つ A schematic view of a crystal with two repeating layers.The surface atomsare circled,D is the distance perpendicular to the surface between identicallayers,d = 1/2 D is the distance between attacent layers。(b) For the case of(a),intensity vso wave length calculated from eq。 (3).(c) A schematic view of a crystal with four repeating layerso The surface atomSare circled.I)is the distance perpendicular to the surface between identicallayers and d = 1/4 D is the distance between adiacent layers.(d) For the case of(c)a intensity vs,wave length drawn with the same idea of(a)。Incident electronElectron VoltsIncident electrOnElectron Volts西守克己・徳高平蔵・井上健太郎・ 石原永伯 :LEED(低速電子線回折)によるKCl(100)および MgO(100)表面の研究ように書くことができる。′0)∝1+Ff2(え)eXP o″ゲD/χ ヮ)1_T2(ぇ)eXP C4πガD/⊃スポットの Intensity I(た)はr(っ =IF(λ)12,と ぁらゎされるからr∞ ∝1瑞 紛 |げω【ぁとなる。ここで,Dは繰り返し格子面間隔であり,Fig.laの例では 2dでぁる。そして, λ と Tはそれ ぞれ結晶を入射電子が通過する時の波長と透過係数であるが,光っは Fig.12に示すように特に表面の2層がそれ以下の層と違うということからくるところの,電子がその2層を通過する時の電子の有効波長である。また,Ff2(⊃ =T2d2(λ)/T2sl(⊃ , (4)であり,Ts2,Tslも 表面の2層を通過する時のそれぞれ第1,第 2層での透過係数である。ここで,Kと んιを適当に選ぶことにより Fig.lbに示すような1//2オ ~ダーのピークを発生させることができる。このモデルを拡張してFig。 lcに示すような場合に適用すると Fig.ldに示すようにウ4オ ーダーのピークを得ることもできる。3.実 験 装 置本実験に於ては日電 Varian ttC)製 の diSPlay typeの LEED装置を用いた。その概観を Fig.2に示す。ここで用いた スポットIntenSity測 定用光学系は,測光電子増倍管へ導くため,apertureを 設けた。以上に述べた装置により鏡を上に上げて肉限でアイピデ (⊃・ 12) ―スを通して回折スポ .ン トに照準を合わせ,十字線の中央と回折スポットの中心が一致する状態で鏡を下げるとFig,2 Schematic diagram of the LEED‐ Augerapparatus with a relative positiOn of anlntensity‐VOltage instrument.photo― multiplierC(cross wire)fOr the lnte―定に際して目指すスポ、ット以外の光が光電子増倍管へ達しないように若干の改良を加えた。 Fig,3に その概観を示す。すなわち望遠鏡の接眼レンズと対物レンズの間に光 軸を90° 転向させる鏡を内蔵 した真 鍮製のケースを取 り付 けた。LlはLEEDのスポ、ントを観察す る時に用いる凸レンズであってこれにより約45cm前にあるスポ ,ッ トがアイピーFig。 3 A detailed schetch of the instrumentnsityttvOhage measurement.スにより肉眼で観察できる。また図のC面にはスポ .ッ トに照準を合わせるための十字線を入れてある。鏡は可動にして肉眼で観察する時には上に上げ,光電子増倍管で測定する時には下げる。レンズ Lと , L2を通って鏡,または L3に達する光は回折スポット以外の光 を合 んでいるので, これらの光のうち回折スポットの光だけを光電子増倍管の受光面には回折スポットの光だけが達するようになる。光電子増倍管でこの光による光電子を増倍し測定する。なお用いた光電子増倍管は浜 松 テ レビ製7)HTv 931Aで ,光電子増倍管へ印加した陽極加速電圧 1150Vは Fluke電源8)を利用した。光電子増倍管からの出力を μμアンメーターで増幅し,出力をX一Y鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 4巻 第 1号（∽，【Ｅ”　ぁｋ。Ｈやいつ角ヽ）　ぁ，“∽〓ωＰ〓】（∽，４・戸　、「硝角や【やＨＳ）ム，【∽ｏやＥ】レコーダのY軸へ,そ してX軸には入射電子の加速電圧を ウ10に分圧して入れた。 以上に述べた装置を用いて行なった実験結果を次に示す。4.実験結果と検討空気中努開した KCl,MgOの (100)面,及びそれ901                  10        50       100       150Primary electrOn energy(V)Fig。 4 The ntensity of the Qの diffractionを罷亀デF津 4,輩:牝だ鳥Hil題hel議Tnface Of One KCl sample.The sample wasrotated 70 about the こ100i directiOn fromれOrmatt hcidence of the electrOn beam.0          50         1oo         150Prinary eLctrOn energy(けFig。 5 The I‐ V curve of the (00) diffractionbeam for an air claeved ft・ esh (100)faceof another KCi sample.The sample wasrotated 3° abOut the r100〕 direction fromnormal incidence of the electro4 beam.呻  鞠of the electron beam。に電子衝撃,熱処理を加えた面からの (00)ビ ームの I一vカ ーブを Fig.4か ら Fig.9に示す。まず,空気中男開した KCl清浄 (100)面 についてその (00)ビ ームの I一 Vカ ーブに於ける各ピークの反射の次数 nを決める際に Inner― Potential(V。 )を考0        50        100       150Primary electrOn energy(V)Fig。 7 The I‐ V curve of the (00)dffraction甕盈撲♯観礎甕躙 独縣:about the [100] direction froコ n 40rmalincidence of the electron beam.（のＰ】Ｅ，　ぁＨ゛”゛【や角０）　ヽｒ一∽ＥｏゃＥ溜●一堰ｏｒｓ一】ｆじネｏ増台ｏこＨ西守克己・徳高平蔵・ 井上健太郎 。石原永伯 :LEED(低速電子線回折)によるKCl(100)および MgO(100)表面の研究翁やＥ，ぁ鷺ｓ“石冑ヽ）るちＥ９遷0            50          100          150Primary electron energy (V)聴8紬鞘 螂 絲慇e輩駐乱智脇 推°為下指甚群驚from aOrmal incidence of the electronbeam.0   10t'  2()0  3()() 4(X) 5()()Primary clcctrot,ellcrgy(V)町9幾緯離軽聯nce of the electron beam。慮せねばならないが,Vo は Braggの 回折条件から次のように与えられる。乃=7-幾粋 , ぃ)ここで dは格子面間隔であり,Vは加速電圧である。この式を用いて Vo, nを 同時に決めることは不可能であるが,Voは 0>V。 >-15vの値を持っていることが予め知られている9)10)1つ 。格子定数dについては温度の上昇と共に増加し,ま たバルクの格子定数と表面のそれとは異るが,我々の実験では熱処理や電子衝撃を受けたサンプルも受けていないサンプルも存在するピークの位置は変わらなく,そ して測定は室温で行なったのでここでは25℃におけるバルクとしての値 (d=6.2929A)129を用いる。したがって,7。 =7-0.949″ツ,     (6)となる。今,空気中男開した KCIの (100)面からの各ピーク Fig.4 と Fig。 5についてその反射次数 nと Inne‐POtential V。 を求め,その結果を Table Iに掲げる。以前にも述べた Voの範囲9)1。 )1つ のうちで一応 0>Vo>-10Vの値をもつ VOの値の所に○印をつけた。そしてそれに対応するnの値を採用する。Table I内の30v,38v,45v,55v,59v,63v,89v,95v,132vの 各ピークに対し,それぞれ対応するnと して,6,6】 ,7与 ,8,8キ Ю,10キ,12が得られた。このように nが整数次のピークの他にウ4,1//2と いつた分数次のピークが観察された。これは理論のところで仮定したモデルを使うと,同等な格子面間距離D,隣接格子面間星熙ヒd*とする周期的な原子配列をしている結晶を考えた場合は d/Dの整数倍の分数次オーダーピークが現われることが示さ浄ている4)空気中労開した KCl(100)面 が,ウ4,94といった分数次オーダーのピータを示すということはその表面が Fig.lcに示すような超構造を示すものと考えられる。さて(A)電子衝撃を受けたサンプルは Fig.6に ,(B)それを290℃で熱処理し.た サンプルは Fig.8に ,(C)空気中労開した新しい面は Fig.4と Fig.5にそれぞれ示しているが,(A)の場合を除いて大体常に 38± lV,45± lV,59± lV,89± lV,132± lvの 5っのピークは観測できている。 (A)のサンプルは,加速電圧 800v（∽や〓宗，　ォ】Ｓ【や一わ【ｏ）　ぉヽや一のｇＯ）〓【*こ のような NaCl型結晶の場合には,メ タルから次のメタル金属迄の格子面間隔をdと とっている。鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 4巻 第 1号Thble I Inner Potential for the n… th order peak from the(00)diffractionbeam for an air cleaved (100)KCi face is calculated by insertingthe experilnental results of Fig,4 and Fig.5 into eq。 (4)where dis assumed 6。 29A12)and Vo is assuned between O and …15V。 9)と 。)11)Especially VO is circled when it exists between O and Ⅲ10V.9)11)の LEED Gunで約 6時間にわたる電子衝撃を受けており, この LEED像はかなりぼやけていた。このことから表面はかなり破壊されているものと思われるが,他の比較的清浄と思われる (B),(C)の場合の上記の 5つのピークの近くに broadながらもピークの存在は見られた。Fig,4か ら Fig.8までのピークの形 状 に注意すると以下のことがわかる。 (A)(B)処理 のサンプルのピークは全て単一であるが (C)の清浄なサンプル表面では59v付近,89V付近でいくつかのピークが分れて見られた。この事は (C)のサンプルでは結晶表面の対称性が複雑で,Fig.lcに示した ような 4枚 周期の超構造を形成しているものと考えられる。電子衝撃を加えた後の (A)のサンプルでも,それを熱処理した(B)のサンプルでも I一 Vカ ーブは単一なピークだけであるので清浄な表面に比べて超構造の存在する確率は少ない。また MgOの (100)面からの (00)ビームの I一 Vカーブを Fig,9に示す。MgOは表面の非常に安定な物質で電子衝撃による LEED像のぼやけは観察されなか っ た 。 Fig.9に 示 す MgOの I一 Vカ ー ブ は 熱 処理 (300℃ ,40分)を経た清浄な表面であるが, そ浄にもかかわらず多くの分数次オーダーのピークが Table正 に示すように観測されている。 この結果も KCl清浄面と非常によく似た結果を示しており,KCl,MgOの清浄表面は Fig。 lcに示すような超構造を示すのではないかと考えている。なお,すべでのサンプルは測定までに超高真空中で150℃ 以下,10時間のベーキングを経ているが,これはサンプル熱処理約300℃ にくらべて非常に低いために K Cl(100)面でもその熱処理を受けないで超格子構造は観測されていると考え られ る。 また,空気中労開した各サンプルの結晶表面における不純物は, オージェ電子分光測定4)に よっても観測されなかった。謝    辞この研究を遂行するにあたって,電子工学科加藤教授よりいろいろ貴重な御助言をいただいた。そして,電気工学科小林助教授よりX一 Yレ コーダを借用し,電子工学科松浦助教授, 月ヽ西助手 より酔 アンメーが一をお借りした。筆者らはここに深く感謝いたします。鉤1調 |ち 1弱 1開 1偶西守克己・ 徳高平蔵・ 井上健太郎・ 石原永伯 :LEED(低速電子線回折)によるKCI(100)および MgO(100)表面の研究Table II Inner potential for the n‐th order peak from the (00) dlrractonbeam for an air cleaved o00)MgC)face is calculated by insertingthe experimental results of Fig.9 into eq。 (4)where d iS assumed4,87A12)and Vois assumed detween O and Ⅲ15V.9)10)11)EsPecially VOis cとcled when it exists between O and‐ 10V.9)11)-16.6つりのりのの参 考 文 献J.」 .Lander;Prog.Solid State Che五 ,2(196の .G.A.Somorjai;The Structure and Ch―emietry or Solid surface cJohn Wiley随Sons,Inc,,New York,196り .T. E, Gal10n, H. Tokutaka, I, G. Higgi―nbotham and M. Prutton; もurface Sci. 21,224(197の ,J.J.Lander,Prog,Solid State Chem.2,26 (1965).R.L.Gerlach and T.N.Rhodin,Surf―ace Sci.8,1(1967),日電バ リアン K.K.,東京都 港区麻布飯倉 3-13.つ 浜松テレビK.K.,静岡県浜松市市野町 1126-1.り 」ohn Fluke MFG.cO.,Inc;P,0.BOx7428 Seattle Washington 98133.り I・ Marklund and S.Andersson,SurfaceSci.5,197(196の ,1の  E.G.McRae and C.W,c21dweII,Surf―ace Sci,2,509(196o.1つ  J・ B・ Pendry;J.Phys.C2,1215(196つ .1り  R,IV.G.,vyckoff,Crystal Structuresl,(JOhn wiley 8c Sons,Inc.,New York196の .との 西守克己,徳高平蔵,足立純一,高原博道,奥井勇 ;鳥取大学工学部研究報告,第 3巻 ,第2号 ,P99(1973).

Studies of KCI (100) and MgO (100) Surfaces by Low Energy Electron Diffraction

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