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직충돌 이온산란 분광법(ICISS)에 의한 고체 표면구조의 해석(4)-금속 재료의 표면구조 해석
Surface Structure Analysis of Solids by Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy (4): Surface Structure of Metals 원문보기

한국결정학회지 = Korean journal of crystallography, v.20 no.1, 2009년, pp.9 - 14  

황연 (서울산업대학교 신소재공학과)

초록
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직충돌 이온산란 분광법(ICISS: Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy)을 이용한 고체표면 해석의 마지막 개설로서 금속 표면에 대한 연구를 소개하기로 한다. 금속은 도체이기 때문에 전하 축적을 방지하려는 별도의 장치가 필요 없다. 또한 결정구조가 간단하여 금속재료 자체보다는 표면의 흡착구조 및 반응, 박막 구조 등과 같은 분야에서 ISS를 이용하고 있다. 세라믹이나 반도체와 구별되는 응용 분야로서는 첫째 금속의 높은 표면 반응성을 이용하는 촉매와 같은 분야에 있어서 표면에서 일어나는 반응을 추적하기 위한 수단으로 사용된다. 둘째 표면 용융 현상을 표면 원자의 위치 결정을 통하여 연구할 수 있다. 마지막으로 자성재료의 표면 자성 특성을 스핀분극 ISS를 이용하여 접근할 수 있다. 이상과 같은 금속 표면물성 분야에 대하여 ICISS를 적용한 연구 사례를 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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성능/효과

  • 1은 직경이 25 µm인 3 keV Ne+이온빔을사용하여 Mo(100) 및 Mo(110) 면으로 이루어진 bicrystal을 측정한 결과이다.1) 이온산란 강도는 결정면에 크게 의존함을 알 수 있는데, 계면 즉 결정입계 두께의 측정은 사용한 이온빔의 직경에 의존한다. 결정 표면을 스퍼터하면 면의 거칠기가 증가하게 된다.
  • 55 ML의 Pt를 증착시킨 Cu(100) 면의 ICISS 스펙트럼과 세 가지의 Pt 성장 모델에 의한 계산을 보여준다.5) 즉 layer-by-layer 성장, Pt clusters 모델 및 3층 합금 모델에 대한 계산이 나타나 있는데 , 17o, 45o, 68o 및 78o의 입사각도에서 나타나는 피크는 3층 합금 모델에 의하여 잘 설명되고 있다 . 이 모델은 32o에서 나타나는 작은 피크를 잘 재현하고, 17o의 표면 피크의 각도가 정확하다.
  • 5는 Pt(111) 면을 산소에 노출시켜 표면 산화층이 형성되었을 경우의 [211] 방위에 대한 산란 결과와 계산을 모델과 함께 나타낸다.7) 고농도의 산소에 대해서는 하층의 Pt 원자로부터 산란이 검출되지 못하여 정확한 모사가 불가능하다. 그러나 Pt 원자의 산란이 관찰되지 않는다는 사실은 표면의 산화층이 산소 원자의 도입에 의해서 기존의 장거리 질서를 잃어버린다는 것을 의미한다.
  • 6은 Ag(110) 표면의 온도를 910 K까지 올리는 경우 나타나는 ISS 스펙트럼인데 , [001] 방위에 대하여 표면의 무질서도가 전개됨이 관찰된다.8) 표면 원자의 무질서도는 인접한 최외층 원자 간의 집속효과가 크게 발생하는 낮은 입사각도에서 뚜렷이 나타난다(삽입 그림의 path 1). 큰 입사각도에서는 제2층의 집속 효과에 기인한다(path 2).
  • 그러나 Pt 원자의 산란이 관찰되지 않는다는 사실은 표면의 산화층이 산소 원자의 도입에 의해서 기존의 장거리 질서를 잃어버린다는 것을 의미한다. 따라서 산소 원자가 침입형으로 존재하는 경우와 팔면체 자리에 Pt 원자를 치환하는 경우로 나누어 모사한 결과 산소원자가 제 2층의 Pt 원자를 치환하는 모델이 CAICISS 실험결과를 잘 설명하는 것으로 나타났다.

후속연구

  • 즉 산소층이 형성됨에 따라 비자성 층이 성장함을 의미한다 . 앞으로 SPISS는 표면 자성을 이용한 소자 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
계면 즉 결정입계 두께의 측정은 무엇에 의존하는가? 1은 직경이 25 µm인 3 keV Ne+이온빔을사용하여 Mo(100) 및 Mo(110) 면으로 이루어진 bicrystal을 측정한 결과이다.1) 이온산란 강도는 결정면에 크게 의존함을 알 수 있는데, 계면 즉 결정입계 두께의 측정은 사용한 이온빔의 직경에 의존한다. 결정 표면을 스퍼터하면 면의 거칠기가 증가하게 된다.
ISS 신호의 강도가 서로 다른 결정면에 대하여 다른 강도를 나타내는 이유는? 금속재료는 일반적으로 구조가 단순하여 표면 구조 해석을 할 경우가 많지 않으나, 완벽한 두 개의 결정이 계면으로 분리되어 있는 bicrystal의 경우는 결정면의 해석이 필요하다 . ISS 신호의 강도는 최외층의 원자 밀도에 비례하기 때문에 서로 다른 결정면에 대하여 다른 강도를 나타낸다.
직충돌 이온산란 분광법을 사용해 무엇을 추적할 수 있는가? 금속 표면의 원자는 온도가 올라감에 따라 진폭이 커지고 위치의 변동이 발생하게 되는데 , 이러한 현상을 ICISS를 사용하여 추적할 수 있다. Fig.
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참고문헌 (12)

  1. Ermolov, S. N., Jansen, W. P. A., Markin, S. N., Glebovsky, V. G. and Brongersma, H. H., Surface Science, 512, 221 (2002) 

  2. Woodruff, D. P., The chemical physics of solid surfaces, Surface Alloys and Alloy Surfaces, Vol. 10, Elsevier (2002) 

  3. Hoyer, R., Kibler, L. A. and Kolb, D. M., Electrochim. Acta, 49, 63 (2003) 

  4. Umezawa, K., Narihiro, E., Ohta, Y., Ohira, Y. and Yoshimura, M., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 266, 1903 (2008) 

  5. Walker, M., Parkinson, C. R., Draxler, M. and McConville, C. F., Surface Science, 584, 153 (2005) 

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  8. Pedemonte, L., Bracco, G., Beikler, R., Taglauer, E., Robin, A. and Heiland, W., Surface Science, 532-535, 13 (2003) 

  9. Niehus, H., Heiland, W. and Taglauer, E., Surf. Sci. Rep., 17, 213 (1993) 

  10. Franchini, A., Magherini, C. and Santoro, G., Surface Science, 502-503, 443 (2002) 

  11. Onellion, M., Hart, M. W., Dunning, F. B. and Walters, G. K., Phys. Rev. Lett., 52, 380 (1984) 

  12. Suzuki, T. and Yamauchi, Y., Surface Science, 602, 579 (2008) 

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