Дифракция медленных электронов

Дифракция медленных электронов сокр., ДМЭ, ДЭНЭ иначе дифракция электронов низкой энергии (англ. low-energy electron diffraction сокр., LEED) — метод исследования структуры поверхности твердых тел, основанный на анализе картин дифракции низкоэнергетических электронов с энергией 30–200 эВ, упруго рассеянных от исследуемой поверхности. Позволяет изучать реконструкцию поверхности.

Описание

Использование для анализа поверхности электронов именно низких энергий обусловлено двумя основными причинами.

1. Длина волны де Бройля для электронов с энергией 30–200 эВ составляет примерно 0,1–0,2 нм, что удовлетворяет условию дифракции на атомных структурах, а именно, длина волны равна или меньше межатомных расстояний.

2. Средняя длина пробега таких низкоэнергетических электронов составляет несколько атомных слоев. Вследствие этого большинство упругих рассеяний происходит в самых верхних слоях образца, следовательно, они дают максимальный вклад в картину дифракции.

На рис. представлена схема экспериментальной установки для прямого наблюдения картин ДМЭ. В электронной пушке электроны, испускаемые катодом (находящимся под отрицательным потенциалом –V), ускоряются до энергии eV, а затем движутся и рассеиваются на образце в бесполевом пространстве, поскольку первая сетка дифрактометра и образец заземлены. Вторая и третья сетки, находящиеся под потенциалом чуть меньше потенциала катода (V – ΔV), служат для отсечения неупруго рассеянных электронов. Четвертая сетка заземлена и экранирует другие сетки от флуоресцентного экрана, находящегося под потенциалом порядка +5 кВ. Таким образом, электроны, упруго рассеянные на поверхности образца, после прохождения тормозящих сеток ускоряются до высоких энергий, чтобы вызвать флуоресценцию экрана, на котором и наблюдается дифракционная картина. В качестве примера на рисунке показана картина ДМЭ от атомарночистой поверхности Si(111)7×7.

Метод ДМЭ позволяет:

качественно оценить структурное совершенство поверхности — от хорошо упорядоченной поверхности наблюдается картина ДМЭ с четкими яркими рефлексами и низким уровнем фона;

определить обратную решетку поверхности из геометрии дифракционной картины;

оценить морфологию поверхности по профилю дифракционного рефлекса;

определить атомную структуру поверхности путем сравнения зависимостей интенсивности дифракционных рефлексов от энергии электронов (I–V кривых), рассчитанных для структурных моделей, с зависимостями, полученными в эксперименте.

Методы дифракции медленных и быстрых электронов различаются энергией используемых электронов и, соответственно, различной геометрией (в ДМЭ пучок электронов падает на исследуемую поверхность практически перпендикулярно, а в ДБЭ под скользящим углом порядка 1–5º). Оба метода дают сходную информацию о структуре поверхности. Преимуществом ДМЭ является более простая конструкция, а также более наглядная и удобная для интерпретации получаемая информация. Преимущество ДБЭ заключается в возможности проведения исследований непосредственно в ходе наращивания пленок на поверхности образца

Одна из возможных конструкций низковольтного электронографа, позво-

ляющего визуально наблюдать дифракционные картины, схематически изо-

бражена на рис. 5.

В состав этого прибора входят:

1) Электронная пушка, формирующая узкий достаточно интенсивный моно-

кинетический пучок электронов во всем требуемом диапазоне энергий.

2) Исследуемый образец, представляющий собой монокристалл какого-либо

материала, на поверхность которого выведена определенная кристаллогра-

фическая грань. Поликристаллические и аморфные образцы не дают картин

ДМЭ, так как у них отсутствует двумерная упорядоченность в плоскости

поверхности.

3) Сферический коллектор с нанесенным на него слоем люминофора для ви-

зуального наблюдения рефлексов. Для того, чтобы обеспечить необходи-

мую яркость изображения, на коллектор подается достаточно высокий по-

ложительный потенциал (несколько тысяч Вольт).

4) Две концентричных с коллектором сферических сетки. Первая из них на-

ходится под потенциалом мишени и предназначена для создания дрейфово-

го пространства без электрических полей. Наличие таких полей вблизи ми-

шени могло бы изменить траектории электронов и привести к искажению

вида дифракционных картин. Вторая сетка - тормозящая - служит для того,

чтобы пропускать к коллектору только электроны,практически непотерявшие

энергии при отражении от мишени (т.е. когерентную составляющую

рассеянных электронов). Электроны,потерявшие энергию при взаимодействии с твердым телом, рассеиваются некогерентно и при попадании на экран будут создавать сплошную его засветку(фон).

Если коллектор выполнен из прозрачного материала, то наблюдение и фотографирование дифракционных картин можно производить со стороны

электронной пушки. Чаще, однако, для этого используется специальное оптическое окно, размещенное позади мишени.

В любом случае плоскость наблюдения, как правило, параллельна поверхности мишени. Электронограф всегда помещается в герметичную камеру, откачанную до сверхвысокого вакуума, для того, чтобы свести к минимуму воздействие на образец окружающих газов. Наличие слоя адсорбированных на поверхности газов может привести к полному исчезновению дифракционных картин, так как, согласно сказанному ранее, метод ДМЭ позволяет анализировать лишь приповерхностную область толщиной от одного до трех моноатомных слоев..

Поиск по сайту: