4. 1. IDMS(Integrate Desorption Mass Spectrum) 결과
Benzyl alcohol 역시 시료에 흡착시키기 전에 확인한 neopentanol의 quadrupole mass spectrum을 보면 alcohol이 quadrupole mass spectrometer의 이온충격에 의 해 cracking될 때 특징적으로 발생하는 m/q(질량 대 전하비)=31(CH2OH)의 fragment가 역시 benzyl alcohol에서도 나타나는 것을 확인할 수 있고, benzyl alcohol의 전체적인 cracking pattern이 reference와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
시료의 온도를 일정한 속도(1K/s)로 증가시키면서 시료에서 탈착되어 나오는 화학종을 확인하기 위해 모든 가능한 각각의 m/q를 시간에 따라 분압의 변화를 측정하고, 그렇게 얻은 TDS spectrum을 적분해 IDMS을 얻었고, 이 IDMS와 일 치하는 화학종을 찾기 위해 reference를 조사해 본 결과 toluene의 cracking pattern과 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실제 toluene이 본 실험장 비에서 어떤 cracking pattern을 가지는지 알기 위해 직접 toluene의 quadrupole mass spectrum을 확인한 결과 reference와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었고, 따라서 탈착되는 종이 toluene이라는 결론을 얻었다(Figure 23.).
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Measured mass spectrum of benzyl alcohol
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
mass(m/q)
Intensity(arb.units)
Measured mass spectrum of toluene
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Intergrated desorption mass spectrum for benzyl alcohol on Si(100)
Figure 23. Integrate Desorption Mass Spectrum of benzyl alcohol
300 400 500 600 700 800 900
Temperature(K)
Intensity(arb.units)
benzyl alcohol TDS
Toluene (m/q=93)
Benzyl alcohol (m/q=31)
4. 2. TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 결과
IDMS를 얻기 위해 확인한 TDS 실험의 결과를 살펴보면 benzyl alcohol을 흡 착시켰을 때 탈착되는 화학종에서는 benzyl alcohol에서 나타나는 alcohol의 특징 적인 m/q=31(CH2OH)의 fragment가 시료의 가열에 따라 증감없이 일정한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 benzyl alcohol이 분자상태 그대로 탈착되는 것은 아님 을 알 수 있다. toluene의 M+1 peak인 m/q=93(C7H8)은 약 377K의 온도에서 최대 탈착을 보이는 것을 확인할 수 있었다(Figure 24.).
Figure 24. Thermal Desorption Spectrum of benzyl alcohol
4. 3. Isotopic labeling experiment 결과
Benzyl alcohol의 열탈착에서 toluene이 탈착되는 mechanism도 역시 neopentanol의 실험결과에서 neopentane이 탈착되는 mechanism과 마찬가지로 표 면의 수소가 이동해 탈착이 이루어지는 것으로 알려지지 않은 반응경로를 통해 탈착되는 것을 보여진다. 따라서 표면의 수소가 이동해서 탈착된다는 것을 보다 확실히 하기 위해 alcohol의 -OH group을 -OD group으로 치환한 benzyl alcohol-d를 이용해 같은 실험을 반복하였다. -OH group을 -OD group으로 치환 했을 경우 역시 T. Bitzer의 연구결과에 따라 표면에 alcohol의 흡착이 benzyl alkoxy species와 Si-D로 형성될 것이기 때문에 toluene으로 탈착될 때 실제로 표 면의 수소를 받아 탈착이 이루어진다면 toluene의 분자에 포함된 수소중 한 개의 수소는 deuterium으로 치환되어 탈착될 것이기 때문에 질량 대 전하비가 1 증가 한 peak가 나타날 것으로 예상되었다.
다음의 IDMS 결과를 보면 앞서 실험한 benzyl alcohol의 IDMS spectrum에서 보다 질량 대 전하비가 1 증가한 m/q=94(C7H7D)의 toluene-d의 M+1 peak를 확 인할 수 있다(Figure 25.).
또한 TDS spectrum의 결과에서도 benzyl alcohol-d에서 나타나는 alcohol의 특 징적인 m/q=32(CH2OD)의 fragment가 시료의 가열에 따라 증감없이 일정한 것을 확인할 수 있었다. toluene-d의 M+1 peak인 m/q=94(C7H7D)가 약 377K에서 최대 탈착을 보이는 것을 확인할 수 있다(Figure 26.).
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Intensity(arb.units)
mass(m/q)
Intergrated desorption mass spectrum for benzyl alcohol-d on Si(100)
300 400 500 600 700 800 900
Temperature(K)
Intensity(arb.units)
benzyl alcohol-d TDS
Toluene-d (m/q=94)
Benzyl alcohol-d (m/q=32)
Figure 25. Integrate Desorption Mass Spectrum of benzyl alcohol-d
Figure 26. Thermal Desorption Spectrum of benzyl alcohol-d
4. 4. LEED(Low Energy Electron Diffraction) 결과
Alcohol들의 흡착전에 깨끗한 Si(100)표면의 확인을 위해 LEED pattern이 2×1 이 나오는지를 확인하였고 benzyl alcohol을 흡착시킨 후 LEED pattern은 T.
Bitzer의 연구결과와 마찬가지로 background가 diffuse한 2×1의 LEED pattern을 얻을 수 있었다. 따라서 T. Bitzer의 연구결과와 마찬가지로 alcohol(benzyl alcohol)의 흡착이 -OH group의 deprotonation에 의한 benzyl alkoxy species와 silicon hydride species로의 흡착을 확인하였다. 기질의 온도를 benzyl alkoxy species가 앞의 IDMS 결과와 TDS 결과에 비추어 탈착이 이루어지고 난 온도인 520K까지 가열해 benzyl alkoxy species의 탈착을 시킨 후 다시 실온으로 온도를 내려 확인한 LEED pattern은 흡착시킨 후에 확인했던 것 보다 더욱 diffuse해진 것을 확인할 수 있었다. 800K에서 확인한 LEED pattern은 benzyl alkoxy species 를 탈착시킨 후보다 더욱 선명해지는 것을 확인할 수 있었고, 표면 재배열의 과정 인 annealing했던 온도인 1080K에서 Si(100)표면은 실험 전에 확인했던 깨끗한 Si(100)표면의 LEED pattern에 가깝게 선명한 pattern을 얻을 수 있었다(Figure 27.).
Clean Si(100)-2X1 520K 1080K
Adsorption of benzyl alcohol on Si(100)-2X1 800K
Clean Si(100)-2X1 520K 1080K
Adsorption of benzyl alcohol on Si(100)-2X1 800K
Figure 27. LEED pattern of benzyl alcohol
320 340 360 380 400 420 440 460 480 500
20L 50L 100L 300L 500L
80L
Intensity(arb.units)
Temperature(K)
Coverage of benzyl alcohol 4. 5. Coverage Test 결과
Neopentanol의 노출량을 20L, 50L, 80L, 100L, 300L, 500L로 각각 노출을 다르 게 해 탈착량을 확인해 보았다(Figure 28.).
노출량을 증가함에 따라서 증가하던 탈착량이 100L부터는 거의 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 Si(100)의 표면이 약 100L정도의 노출량이면 충분히 포화된다는 것을 알 수 있었다(Figure 29.).
Figure 28. Coverage of benzyl alcohol
0 100 200 300 400 500
Desorption yield(arb.units)
Exposure(Langmuir)
benzyl alcohol
Figure 29. Coverage curve of benzyl alcohol