低能電子能譜(LEED)

低能電子能譜(LEED)

LowEnergyElectronDiffractionLEED引言1921年Davisson和Germer就研討了電子束在單晶外表的散射景象。并發(fā)現(xiàn)了電子的散射不是各向同性的。30年代后，人們開場了低能電子衍射方面的研討。50年代，隨著超高真空技術(shù)的開展，人們識(shí)別到獲得清潔外表對察看低能電子衍射圖象的重要性，用LEED研討了Ti,Ge,Si,Ni,SiC等的外表原子陳列，并開場研討氣體在單晶外表的吸附景象。LEED引言從七十年代開場，開展了LEED強(qiáng)度特性的實(shí)際研討，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，對外表構(gòu)造進(jìn)展研討。目前，人們已對一百多種外表構(gòu)造進(jìn)展了研討，得到許多外表吸附構(gòu)造方面的新知識(shí)。LEED低能電子衍射入射電子的能量通常為20~500eV，對應(yīng)的波長為0.3~0.05nm。低能電子衍射安裝的原理表示圖LEED低能電子衍射LEED低能電子衍射晶體中的原子對能量在0~500eV范圍內(nèi)的電子有很大的散射截面，入射電子在經(jīng)受彈性或非彈性散射之前是不能進(jìn)入晶體很深的。因此，背散射電子中絕大部分是被外表或近外表的原子散射回來的，這就使低能電子衍射成為研討外表構(gòu)造的一個(gè)理想的手段。LEED低能電子衍射正是由于晶體原子對低能電子散射的截面很大，使得電子在分開晶體前經(jīng)受多次散射的幾率很大，這種景象稱為多重散射。由于多重散射的存在，使低能電子衍射結(jié)果的分析變得極為復(fù)雜。至今，還不能獨(dú)一地根據(jù)低能電子衍射數(shù)據(jù)決議晶體外表原子的陳列，這方面的研討仍在繼續(xù)進(jìn)展之中。LEED低能電子衍射一維衍射柵產(chǎn)生的散射圓錐LEED低能電子衍射由于外表原子的散射截面很大，起散射作用的主要是外表第一層原子，作為近似，可按二維散射思索。對于一維原子鏈，那么相鄰原子間的光程差等于波長的整數(shù)倍時(shí)，散射波發(fā)生衍射。對于垂直入射的電子，那么衍射條件為：acosh=h，h=0,1,2,……

闡明衍射方向處在與軸線成h的圓錐面上。LEED低能電子衍射假設(shè)熒光屏位于電子槍的同一方，且是以衍射柵為球心的一個(gè)球面，那么衍射圓錐和熒光屏的交線是一組直線，間距為r/a，r是熒光屏的半徑。LEED低能電子衍射對于二維網(wǎng)格，設(shè)二維網(wǎng)格單元是長方形，x方向間距為a，y方向的間距為b。對垂直入射的情況，在x方向發(fā)生衍射的同時(shí)，在y方向上也有類似的衍射發(fā)生。因此，對二維衍射柵，熒光屏上顯示出一組點(diǎn)。LEED低能電子衍射對于較復(fù)雜的二維晶格，衍射條件為：(ss0)·(pa+qb)=n假設(shè)電子束垂直入射，那么有

s·(pa+qb)=n

即s·a=h，s·b=k。LEED低能電子衍射在二維倒格子中，衍射方程為：(ss0)/=Hhk+NN是垂直于倒易晶格的一個(gè)矢量。由衍射方程，可以利用反射圖的概念確定衍射方向。LEED低能電子衍射由二維倒易晶格和厄華德球確定的衍射方向LEED低能電子衍射由于衍射方向決議于倒易晶格垂線與反射球的交點(diǎn)，假設(shè)樣品處于熒光屏的球心，那么熒光屏上LEED圖案是二維倒易晶格的投影。LEED低能電子衍射當(dāng)入射電子能量改動(dòng)時(shí)，電子波長發(fā)生變化，LEED圖案隨之變化。當(dāng)電子能量變化時(shí)，(00)位置是不變的，這個(gè)規(guī)律可以用來判別那個(gè)斑一點(diǎn)是(00)點(diǎn)，并且可以判別原電子束能否垂直入射。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)際：先思索一維情況，設(shè)有M個(gè)原子，那么相鄰原子散射波的光程差為：＝-2(ss0)·d/λ＝-K·d

K為散射矢量。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用假設(shè)第j個(gè)原子的散射波為：j=Acos[t++j]=Re[Aexpi(t++j)]那么合成的散射波為：LEED根本實(shí)際及運(yùn)用對于基矢為a,b，每個(gè)晶格內(nèi)有N個(gè)原子的二維晶格，有：其中fn為網(wǎng)格內(nèi)第n個(gè)原子的散射因子。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用定義F為單元網(wǎng)格的構(gòu)造因子，那么總散射波的強(qiáng)度為：即Ka=2h，Kb=2k時(shí)，發(fā)生衍射極大。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用構(gòu)造因子F為：將引起衍射光點(diǎn)的強(qiáng)弱不同，甚至消光。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用吸附外表的LEED圖案：單晶外表吸附氣體時(shí)，LEED圖案將隨之變化。改動(dòng)后的衍射圖案反映了吸附原子的陳列規(guī)律。吸附外表的衍射圖案和原單晶面的衍射圖案有一定的幾何關(guān)系。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用W(100)面吸氧前后的衍射圖案及能夠的吸附原子在外表的陳列。根據(jù)這一結(jié)果，可以推測氧在W(100)面的陳列能夠是W(100)(22)-O。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用對于復(fù)雜的情況，吸附面的原子陳列能夠有多種方式，由于吸附面衍射圖只闡明吸附原子的單元網(wǎng)格的外形和大小，并不能給出詳細(xì)的原子位置。Cu(210)面吸氧前后的LEED圖及能夠的原子陳列LEED根本實(shí)際及運(yùn)用W(100)面吸氫前后的LEED圖及能夠的原子陳列。由此可以推出其外表構(gòu)造為W(100)()R45o-H。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用可以用代數(shù)矩陣方法從吸附原子陳列求衍射圖，也可從衍射圖求吸附外表構(gòu)造。設(shè)Ms為描畫吸附外表構(gòu)造的矩陣，Ms*為描畫吸附前后衍射圖間的聯(lián)絡(luò)，那么有：LEED根本實(shí)際及運(yùn)用同步網(wǎng)格對于大多數(shù)吸附層，吸附原子嚴(yán)密地陳列在一同。然而，某些吸附外表的LEED圖案卻顯示出吸附原子所產(chǎn)生的周期很長。這時(shí)，吸附層陳列有兩種能夠：吸附分子相互作用間隔很遠(yuǎn)；構(gòu)成同步網(wǎng)格。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用氨與W(211)面相互作用后，在某一階段出現(xiàn)(72)衍射圖案LEED根本實(shí)際及運(yùn)用同步網(wǎng)格是吸附原子或分子間相互作用力和吸附原子與基體原子作用力共同作用所導(dǎo)致的吸附層周期與基體周期的分?jǐn)?shù)匹配。同步網(wǎng)格可用來解釋高階分?jǐn)?shù)點(diǎn)的存在。如在Cu(111)面堆積Ag。由于Ag和Cu都是面心立方晶體，Ag在Cu(111)面上也傾向于按(111)面陳列使自在能最低。由于Cu和Ag的(111)面上的單元網(wǎng)格邊長分別為aCu=0.2554nm和aAg=0.2886nm，aCu/aAg=0.8848/9，所以只能構(gòu)成8aAg=9aCu的同步網(wǎng)格。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用不完善構(gòu)造的衍射假設(shè)外表原子陳列的周期性很完善，那么LEED光點(diǎn)將很鋒利，并且背景很暗。假設(shè)構(gòu)造不完善，那么背景亮度添加或出現(xiàn)其他圖案。常見的幾種不完善構(gòu)造的衍射圖有如下一些特征：整個(gè)背景添加，分散的亮點(diǎn)、環(huán)、裂開的亮點(diǎn)、條紋等。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用氧在Cu(110)面上剛開場吸附時(shí)，氧原子傾向于在[100]方向分散，構(gòu)成等距陳列的長條，此時(shí)衍射圖將出現(xiàn)衍射條紋，條紋的方向垂直于[100]方向，直到覆蓋度較大時(shí)，條紋逐漸收縮而構(gòu)成(21)衍射斑。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用臺(tái)階外表具有很獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。由一定寬度的低指數(shù)面平臺(tái)和原子臺(tái)階組成的單調(diào)上升的臺(tái)階外表稱為鄰界面或近真面。LEED根本實(shí)際及運(yùn)用鄰界面的構(gòu)造因子，干涉函數(shù)和散射波強(qiáng)度臺(tái)階及所對應(yīng)的反射球LEED低能電子衍射譜低能電子衍射圖形提供的只是有關(guān)外表周期性的信息，即元格的大小和外形，他不能給出有關(guān)原子的位置。外表層與襯底之間的間隔和有關(guān)元格中原子分布的信息。例如在立方(001)面上構(gòu)成C(22)構(gòu)造時(shí)，表層原子相對襯底可以有四種不同的位置，而表層與襯底頂層的間距那么取決于表層原子取何種位置。LEED低能電子衍射譜為理處理以上這些問題需求分析各級衍射束的強(qiáng)度隨入射電子能量的變化。這種強(qiáng)度-入射電子能量(I-E)曲線稱為低能電子衍射譜。在實(shí)踐分析時(shí)，往往是固定入射電子束的方位角，然后丈量某幾級衍射束的強(qiáng)度隨電子束能量的變化。再將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與根據(jù)某種模型計(jì)算出來的衍射譜進(jìn)展比較，調(diào)理原子的位置使二者符合得最好，即可確定外表的原子位置。這種計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，而且結(jié)果往往取決于所選的模型和參數(shù)。LEED低能電子衍射譜在純二維的情況下，電子不會(huì)受垂直方向上的周期勢的影響，這時(shí)強(qiáng)度隨電子能量的變化是一個(gè)單調(diào)下降的函數(shù)。對于純?nèi)S的衍射，只需當(dāng)入射束的能量為一定數(shù)值時(shí)，才干看到某一衍射束。對于低能電子衍射，情況正好介于二者之間。LEED低能電子衍射譜外表原子對低能電子的散射截面還未大到電子無法穿透外表的原子層，因此電子在一定程度上還受晶體內(nèi)部三維周期性的影響。電子在衍射過程中還遭到多重散射等要素的影響。Al(100)外表在正入射時(shí)各種(h1h2)衍射束的I-E曲線LEED低能電子衍射譜為準(zhǔn)確計(jì)算LEED譜的細(xì)節(jié)，除需求從實(shí)際上計(jì)算晶體原子對低能電子的散射外，還要思索多次散射、非彈性碰撞及溫度效應(yīng)等問題。思索多重散射的實(shí)際稱為動(dòng)力學(xué)實(shí)際。這些問題是很復(fù)雜的，必需做一些假定才干簡化計(jì)算，并得到和實(shí)踐相近的結(jié)果。由于動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，到1980年前后，只需大約一百多種外表構(gòu)造被確定。LEED低能電子衍射譜被確定的外表構(gòu)造可分為六大類：清潔金屬外表；原子吸附外表；半導(dǎo)體化合物和離子化合物外表；半導(dǎo)體元素外表；重構(gòu)的清潔金屬外表；分子吸附外表。前三類外表構(gòu)造確定的較好，后三類由于構(gòu)造參數(shù)較多，計(jì)算的復(fù)雜性和困難程度依次添加。LEED低能電子衍射譜許多清潔金屬的外表構(gòu)造確實(shí)定可到達(dá)百分之幾埃。外表原子的第一、第二層的間隔比體內(nèi)受縮0.6%，即0.002nm。Cu(100)面四個(gè)衍射束的I-E曲線的實(shí)際與實(shí)驗(yàn)的比較LEED低能電子衍射譜(a)Ni(100)-(22)-O的構(gòu)造(b)估計(jì)的Ni(100)-C(22)-C構(gòu)造(c)LEED譜計(jì)算求出的Ni(100)-C(22)-C實(shí)踐構(gòu)造LEED低能電子衍射譜Fe(110)(22)-S構(gòu)造的一種模型(模型I)，這里只調(diào)理層間距，但所得出的鍵長偏短。圖模型II思索了基底重構(gòu)，并選擇合理的鍵長。LEED低能電子衍射譜從計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線的比較看，模型II的符合程度比模型I好。LEED低能電子衍射譜目前，LEED分析可到達(dá)的極限能夠性是：單元網(wǎng)格面積限于2.5nm；同層單元網(wǎng)格內(nèi)的原子數(shù)不超越4；縱向尺寸的誤差普通在0.01nm以內(nèi)，橫向尺寸誤差在0.02nm以內(nèi)；鍵長誤差在0.005~0.02nm，百分誤差為2~10%。HREED反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射(RHEED)用高能電子(10~30keV)作為探測束。由于高能電子在固體中的穿透深度和非彈性散射自在程都較大，為丈量外表信息，入射電子采用略射方式，即入射束和樣品外表的夾角小于5o。在這種能量下，背彈性散射很弱，彈性散射主要是在前進(jìn)方向，因此衍射束也處在掠射方向。HREED反射式高能電子衍射RHEED的構(gòu)造HREED反射式高能電子衍射RHEED常配合分子束外延在晶體生長過程中不斷監(jiān)測結(jié)晶的情況。由于RHEED對外表有一定的穿透，故適于研討一些從外表向體內(nèi)開展的化學(xué)吸附和外表反響，如腐蝕、氧化、碳化、化合物構(gòu)成等，以及一些外表組分由外表至內(nèi)部有所不同的多組分系統(tǒng)，如資料的硬化、鈍化、離子注入等過程所構(gòu)成的外表。HREED反射式高能電子衍射由于入射電子能量很高，波長很短，故反射球半徑很大，比倒易晶格基矢長度大40倍左右。按衍射原理(00)束應(yīng)取鏡面反射方向，如k'。HREED反射式高能電子衍射假設(shè)反射球或倒易晶格桿有點(diǎn)“模糊〞，那么熒光屏上顯的不是一個(gè)點(diǎn)而是一條“條紋〞。例如:由于入射電子束有一定的發(fā)射角;能量分散使反射球展寬;由于聲子散射和外表有些無序使倒易晶格桿展寬；HREED反射式高能電子衍射由于反射球半徑很大，和球面相交的除(00)桿外還有(01),(01)桿，甚至(02),(02)桿，這些桿將構(gòu)成相應(yīng)的衍射條紋。假設(shè)知樣品至熒光屏的間隔為L，衍射條紋之間的間隔為t，那么tg=|b*|=t/L，|b*|=t/L。HREED反射式高能電子衍射假設(shè)堅(jiān)持晶面發(fā)線的方向不變，轉(zhuǎn)動(dòng)晶體使晶面的經(jīng)角轉(zhuǎn)動(dòng)90o或其它角度，就可以測出|a*|的大小，從而確定晶面單元的外形和大小。HREED反射式高能電子衍射由于采用掠射方式，RHEED對樣品制備有很嚴(yán)厲的要求，即樣品外表要經(jīng)過拋光，并且要求在很大范圍內(nèi)是一平面。假設(shè)外表粗糙，那么針尖或凸起部分將擋住外表的其他部分，這時(shí)電子將穿過凸起部分，產(chǎn)生體資料的衍射圖案，熒光屏上顯的是一系列光點(diǎn)而不是條紋。從這個(gè)角度來說，RHEED對外表非常敏感，并可用于研討外表的三維效應(yīng)，如重的氧化或腐、外延生長。HREED反射式高能電子衍射與LEED相比，RHEED的熒光屏不需求加高壓電源，由于衍射電子本身有足夠大的能量。熒光屏可做