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研究生： 王紹宇
論文名稱： X光近緣吸收光譜修正的研究：MgO
Study of Correction of X-ray Absorption Near Edge Structure : MgO
指導教授： 張秋男
Chang, Chu-Nan
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 111
中文關鍵詞： X光近緣吸收光譜修正 、自我吸收效應
英文關鍵詞： correction of XANES, self-absorption effect
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：141  下載：8 
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    • 藉由量測X光螢光總額（Total Fluorescence Yield, TFY）可得到某特定元素吸收緣附近的吸收係數（Absorption Coefficient），但自我吸收效應（Self-absorption Effect）會使X光吸收譜的強度改變，故自我吸收修正在X光吸收譜是很重要的。另外一個使X光吸收譜產生變化的效應為內層電洞效應（Core Hole Effect）。我們想藉從事MgO的X光吸收譜的自我吸收效應修正的機會，再重新檢驗此一效應。
    我們證實了利用理論計算得到的元素的吸收係數，無法修正樣品的共振吸收譜線的強度。我們嘗試著利用「自我一致」的方法來從事譜線的修正。這個方法確實對共振吸收部分是有效的。樣品膜厚在約1/2平均自由徑以下，可以修正的很好。較厚的樣品則比較不容易修正的很好。在厚樣品中共振吸收強度的各個譜線要達到確實的修正，修正的迴圈數會不同，也就是在同一迴圈數中，譜線不能回復原貌。不過就修正一圈後的譜線而言，確實能夠讓變形的譜線回復一些。
    對Mg的K吸收緣與O的K吸收緣附近的X光吸收譜線而言，確實可以看見MgO存在內層電洞效應。MgO雖然被認為是離子鍵結的固體，O的K吸收緣附近的X光吸收譜會有較大的電子屏蔽作用，但仍有相當大的內層電洞效應。

    By using the method of the total fluorescence yield, one can obtain the X-ray absorption near-edge spectrum. But the target self-absorption effect will distort the intensity of X-ray absorption near-edge spectrum, especially at the resonance absorption peaks. It is important to correct the target self-absorption effect in the X-ray absorption near-edge spectrum for some experiments in which the information of the absorption intensity is important. The other effect that may make the X-ray absorption near-edge spectrum distorted is the core hole effect. We shall examine it along with the correction of the target self-absorption effect by studying the X-ray absorption spectrum of MgO.
    We have verified that we can’t correct the intensity of the absorption near-edge spectrum at the resonance peaks by using the absorption coefficient obtained by atoms theoretical calculation. A self-consistent method has been developed to correct target self-absorption effect. This method has been demonstrated that it corrects the target self-absorption effect quite well if the thickness of target is less than half of mean free path. However, for a thicker sample, different iteration loops are needed for different resonance peaks to have a reasonable good target self-absorption correction. In other words, it is hard to correct every resonance peaks by the same number of iteration loops. Nevertheless a certain degree of correction can be made by using only one iteration loop.
    Both X-ray absorption near-edge spectra of Mg K edge and O K edge show the core hole effect in MgO. MgO is considered as an ionic bond solid and therefore, around oxygen atom in MgO should have greater electron screening and will have less core hole effect. But our data show that there is still quite large core hole effect in the X-ray absorption near-edge spectrum of O K edge

    第一章 緒論 1-1 研究動機………………………………………………………………1 1-2 氧化鎂（MgO）簡介………………………………………………....4 第二章 實驗樣品的製備 2-1 電子槍蒸鍍（Electron-gun Evaporation）設備介紹………………...6 2-2 氧化鎂（MgO）薄膜的製作………………………………………...11 2-3 樣品的基本量測……………………………………………………...16 2-3-1 掃瞄式電子顯微鏡（SEM）的量測…………………………17 2-3-2 膜厚的測量…………………………………………………...23 2-3-3 X光近緣吸收光譜（XANES）分析………………………..33 2-3-3-1 同步輻射中心與近緣吸收光譜測量簡介………….33 2-3-3-2 鎂（Mg）的K-edge…………………………………37 2-3-3-3 氧（O）的K-edge…………………………………..49 第三章 自我吸收效應（Self-absorption Effect）及其修正 3-1 自我吸收效應（Self-absorption Effect）論述……………………....59 3-2 自我吸收效應（Self-absorption Effect）的修正…………………....61 第四章 實驗結果分析與討論 4-1 自我吸收效應（Self-absorption Effect）的修正…………………....74 4-1-1 鎂（Mg）的K-edge………………………………………….74 4-1-2 氧（O）的K-edge……………………………………………85 4-1-3 總結…………………………………………………………...98 4-2 內層電洞效應（Core Hole Effect）的討論………………………..100 4-2-1 鎂（Mg）的K-edge………………………………………...102 4-2-2 氧（O）的K-edge…………………………………………..105 4-2-3 理論計算模型對於內層電洞效應修正前後的比較……….108 第五章 總結………………………………………………………………………..110 參考資料…………………………………………………………………………...112 圖索引 圖1-1 內層電洞效應（Core Hole Effect）示意圖………………………………....3 圖1-2 氧化鎂結構示意圖1………………………………………………………….5 圖1-3氧化鎂結構示意圖2…………………………………………………………..5 圖2-1 電子槍蒸鍍系統外觀示意圖………………………………………………...7 圖2-2 電子槍蒸鍍系統剖面示意圖………………………………………………...7 圖2-3 主腔體（Main Chamber）與次腔體（Lock-Load Chamber）示意圖……..9 圖2-4 樣品座側視圖……………………………………………………………….10 圖2-5 樣品座上視圖……………………………………………………………….10 圖2-6 樣品座與機械推桿連接示意圖…………………………………………….13 圖2-7 樣品座與機械推桿局部放大圖…………………………………………….13 圖2-8樣品座與樣品架連接示意圖………………………………………………..14 圖2-9 樣品座與樣品架局部放大圖……………………………………………….14 圖2-10 電子槍蒸鍍設備內部示意圖……………………………………………...15 圖2-11 MgO粉末的能量發散光譜………………………………………………...17 圖2-12 MgO單晶的能量發散光譜………………………………………………...18 圖2-13 Mg(OH)2粉末的能量發散光譜……………………………………………18 圖2-14 MH1薄膜的能量發散光譜………………………………………………...19 圖2-15 MH2薄膜的能量發散光譜………………………………………………...19 圖2-16 MH3薄膜的能量發散光譜………………………………………………...20 圖2-17 MH4薄膜的能量發散光譜………………………………………………...20 圖2-18 人工曝光蝕刻流程圖……………………………………………………...26 圖2-19 MH2薄膜的厚度掃瞄圖…………………………………………………...28 圖2-20 MH3薄膜的厚度掃瞄圖…………………………………………………...29 圖2-21 MH4薄膜的厚度掃瞄圖…………………………………………………...29 圖2-22 MH1薄膜的能量發散光譜的Mg元素相對含量圖………………………30 圖2-23 MH2薄膜的能量發散光譜的Mg元素相對含量圖………………………30 圖2-24 MH3薄膜的能量發散光譜的Mg元素相對含量圖………………………31 圖2-25 MH4薄膜的能量發散光譜的Mg元素相對含量圖………………………31 圖2-26 樣品Mg元素相對含量對厚度的線性回歸圖……………………………32 圖2-27 同步輻射主要系統示意圖………………………………………………...33 圖2-28 6m-HSGM光學元件裝置示意圖………………………………………….34 圖2-29 6m-HSGM光束線光子強度測量值……………………………………….35 圖2-30 MCP偵測器在HSGM光束線量測X光近緣吸收光譜的裝置及流程圖...36 圖2-31 Mg 金屬的Mg K-edge近緣吸收光譜…………………………………….37 圖2-32 MgO Powder、MgO Crystal與Mg(OH)2的Mg K-edge吸收光譜（已歸一化）…………………………………………………………………………..38 圖2-33 MgO Crystal與Powder的Mg K-edge吸收光譜之詳細比較（已歸一化）………………………………………………………………………….39 圖2-34 (a) 標準樣品與 (b) Jeroen A. van Bokhoven等人[36]發表的Mg K-edge吸收光譜之比較………………………………………………………………39 圖2-35 MgO Crystal與MH1、MH3及MH4的Mg K-edge吸收光譜之比較（未歸一化）…………………………………………………………………….41 圖2-36 MgO的在Mg K-edge的衰減深度對能量圖[37]…………………………..41 圖2-37 MgO Crystal與MH1、MH3及MH4的Mg K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）垂直陳列………………………………………………………….42 圖2-38 MgO Crystal與MH1、MH3及MH4的Mg K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）水平陳列………………………………………………………….43 圖2-39 入射光I0、MCP偵測器與樣品位置的幾何關係，分別為I0與樣品面法線夾 (a) 0° (b) 45° (c) 75°………………………………………………..45 圖2-40 樣品產生的螢光對不同入射角度感受到的有效厚度關係，分別為(a) 0° (b) 45° (c) 75°……………………………………………………………...46 圖2-41 MgO Crystal轉角度的Mg K-edge吸收光譜之比較（未歸一化）由上而下分別為75°、45°與0°………………………………………………………47 圖2-42 MgO Crystal轉角度的Mg K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）由上而下分別為0°、45°與75°………………………………………………………47 圖2-43 MCP偵測器於氧的K-edge能量的校正（利用CuO的吸收光譜）……49 圖2-44 MgO Powder、MgO Crystal與Mg(OH)2的O K-edge吸收光譜（已歸一化）………………………………………………………………………….50 圖2-45 MgO Crystal與Powder的O K-edge吸收光譜之詳細比較（已歸一化）…………………………………………………………………………..51 圖2-46 (a)Th. Lindner等人[38]發表MgO的O K-edge electron-energy-loss光譜 (b) P. A. van Aken等人[39]發表Mg(OH)2的O K-edge electron-energy-loss光譜…………………………………………………………………………51 圖2-47 MgO Crystal與MH1、MH2、MH3及MH4的O K-edge吸收光譜之比較（未歸一化）……………………………………………………………….53 圖2-48 MgO的在O K-edge的衰減深度-能量圖[37]………………………………53 圖2-49 MgO Crystal與MH1、MH2、MH3及MH4的O K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）垂直陳列…………………………………………………….54 圖2-50 MgO Crystal與MH1、MH2、MH3及MH4的O K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）水平陳列…………………………………………………….55 圖2-51 MgO Crystal轉角度的O K-edge吸收光譜之比較（未歸一化）由上而下分別為75°、45°與0°………………………………………………………57 圖2-52 MgO Crystal轉角度的O K-edge吸收光譜之比較（已歸一化）由上而下分別為0°、45°與75°……………………………………………………...57 圖3-1 入射光I0射入樣品之示意圖 (a)入射光I0與透射光It (b)入射光I0與螢光If……………………………………………………………………….60 圖3-2 MCP偵測器與樣品的幾何關係示意圖…………………………………….62 圖3-3 SF Program[37]計算得到的吸收係數譜線 (a) Mg K-edge (b) O K-edge.64 圖3-4 極薄樣品MH4薄膜與MH1薄膜修正前及修正後的吸收光譜 (a)Mg K-edge (b)O K-edge……………………………………………................65 圖3-5 MH4薄膜的O K-edge吸收光譜（原始譜線）與SF Program[37]計算得到的吸收係數的比對圖………………………………………………………67 圖3-6 MH1（432 nm）、MH3（80 nm）薄膜修正前後與MH4薄膜（極薄）的吸收光譜之比較（所有譜線皆已歸一化） (a)Mg K-edge (b)O K-edge...68 圖3-7 MgO Crystal不同入射角度（0°、45°與75°）修正前後與MH4薄膜（極薄）的吸收光譜之比較（所有譜線已歸一化） (a)Mg K-edge (b)O K-edge……………………………………………………………………….69 圖3-8 MgO Crystal的O K-edge吸收光譜（原始譜線）與SF Program[37]計算得到的吸收係數的比對圖………………………………………………………73 圖4-1 MgO Crystal（無限厚）修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………76 圖4-2 MH1（432 nm）修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖………………………………………………77 圖4-3 MH3（80 nm）修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖………………………………………………77 圖4-4 MgO Crystal（無限厚）、MH1（432 nm）及MH3（80 nm）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖垂直並列……………………………………………78 圖4-5 MgO Crystal（無限厚）、MH1（432 nm）及MH3（80 nm）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖水平並列……………………………………………78 圖4-6 MgO Crystal 0°修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….81 圖4-7 MgO Crystal 45°修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….82 圖4-8 MgO Crystal 75°修正前後與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….82 圖4-9 MgO Crystal於不同入射角度（0°、45°與75°）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖垂直並列……………………………………………………………83 圖4-10 MgO Crystal於不同入射角度（0°、45°與75°）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的Mg K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖水平並列……………………………………………………….84 圖4-11 MgO Crystal（無限厚）修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖…………………………………….88 圖4-12 MH1（432 nm）修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….88 圖4-13 MH3（80 nm）修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….89 圖4-14 MgO Crystal（無限厚）、MH1（432 nm）及MH3（80 nm）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖垂直並列………………………………………….90 圖4-15 MgO Crystal（無限厚）、MH1（432 nm）及MH3（80 nm）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖水平並列………………………………………….91 圖4-16 MgO Crystal 0°修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….94 圖4-17 MgO Crystal 45°修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….94 圖4-18 MgO Crystal 75°修正前後與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖……………………………………………….95 圖4-19 MgO Crystal於不同入射角度（0°、45°與75°）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖垂直並列……………………………………………………….96 圖4-20 MgO Crystal於不同入射角度（0°、45°與75°）修正前及1次迴圈修正後譜線與MH4薄膜（極薄）的O K-edge吸收光譜（所有譜線皆已歸一化）比較圖水平並列……………………………………………………….97 圖4-21 內層電洞效應（Core Hole Effect）示意圖 (a)有內層電洞效應 (b)無內層電洞效應………………………………………………………………..101 圖4-22極薄樣品MH4薄膜與內層電洞效應的各個理論計算模型的Mg K-edge之比較……………………………………………………………………..103 圖4-23極薄樣品MH4薄膜與內層電洞效應的各個理論計算模型的O K-edge之比較………………………………………………………………………..106 圖4-24 Ref.42對於MgO的內層電洞效應的比較 (a)Mg K-edge (b)O K-edge..109 表索引 表2-1 薄膜樣品的蒸鍍條件……………………………………………………….16 表2-2 MgO粉末、MgO單晶與Mg(OH)2粉末的Mg與O 的Kα能峰之能量位置及強度………………………………………………………………………21 表2-3 MH1、MH2、MH3與MH4薄膜的Si、Mg與O 的Kα能峰之能量位置及強度………………………………………………………………………22 表2-4 MH2、MH3與MH4薄膜的Mg元素相對含量-厚度關係……………….32 表2-5 樣品厚度與Mg元素相對含量關係表……………………………………..32 表3-1 樣品的Mg與O K-edge之各相關數值列表……………………………….73 表4-1 不同厚度樣品的Mg K-edge之各相關數值列表………………………….79 表4-2 MgO Crystal樣品不同入射角度的Mg K-edge之各相關數值列表………84 表4-3 不同厚度樣品的O K-edge之各相關數值列表……………………………89 表4-4 Crystal樣品不同角度的Mg K-edge之修正參數列表…………………….95 表4-5 MgO Crystal、MH1、MH2、MH3與MH4薄膜的厚度與在(a) Mg K-edge及(b) O K-edge吸收緣附近的平均自由徑的比較（含修正至極薄樣品MH4譜線的迴圈數）…………………………………………………………….99 表4-6極薄樣品MH4薄膜與內層電洞效應的各個理論計算模型的Mg K-edge之比較………………………………………………………………………..104 表4-7 極薄樣品MH4薄膜與內層電洞效應的各個理論計算模型的O K-edge之比較………………………………………………………………………..107

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