薄膜制備與表面08

1、低能電子能譜低能電子能譜(LEED) Low Energy Electron DiffractionQing-Yu ZhangState Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron BeamsLEED 引言引言v1921年年 Davisson 和和Germer就研究了電子束在單晶就研究了電子束在單晶表面的散射現(xiàn)象。并發(fā)現(xiàn)了電子的散射不是各向表面的散射現(xiàn)象。并發(fā)現(xiàn)了電子的散射不是各向同性的。同性的。v30年代后，人們開始了低能電子衍射方面的研究。年代后，人們開始了低能電子衍射方面的研究。v50年代，隨著

2、超高真空技術(shù)的發(fā)展，人們識(shí)別到年代，隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展，人們識(shí)別到獲得清潔表面對(duì)觀察低能電子衍射圖象的重要性，獲得清潔表面對(duì)觀察低能電子衍射圖象的重要性，用用LEED研究了研究了Ti, Ge, Si, Ni, SiC等的表面原子排等的表面原子排列，并開始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。列，并開始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。LEED 引言引言v從七十年代開始，開展了從七十年代開始，開展了 LEED 強(qiáng)度特強(qiáng)度特性的理論研究，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，性的理論研究，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。 目前，人們已對(duì)目前，人們已對(duì)一百多種表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到許一百多種

3、表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到許多表面吸附結(jié)構(gòu)方面的新知識(shí)。多表面吸附結(jié)構(gòu)方面的新知識(shí)。LEED 低能電子衍射低能電子衍射 v入射電子的能入射電子的能量 通 常 為量 通 常 為 2 0 500 eV，對(duì)應(yīng)的，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為0.30.05 nm。 低能電子衍射裝置的原理示意圖低能電子衍射裝置的原理示意圖 LEED 低能電子衍射低能電子衍射LEED 低能電子衍射低能電子衍射v晶體中的原子對(duì)能量在晶體中的原子對(duì)能量在0500 eV范圍內(nèi)的電子范圍內(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，彈性散射之前是不能進(jìn)入晶體很

4、深的。因此，背散射電子中絕大部分是被表面或近表面的原背散射電子中絕大部分是被表面或近表面的原子散射回來的，這就使低能電子衍射成為研究子散射回來的，這就使低能電子衍射成為研究表面結(jié)構(gòu)的一個(gè)理想的手段。表面結(jié)構(gòu)的一個(gè)理想的手段。LEED 低能電子衍射低能電子衍射v正是由于晶體原子對(duì)低能電子散射的截面很大，正是由于晶體原子對(duì)低能電子散射的截面很大，使得電子在離開晶體前經(jīng)受多次散射的幾率很使得電子在離開晶體前經(jīng)受多次散射的幾率很大，這種現(xiàn)象稱為多重散射。大，這種現(xiàn)象稱為多重散射。v由于多重散射的存在，使低能電子衍射結(jié)果的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，還不能唯一地根據(jù)分

5、析變得極為復(fù)雜。至今，還不能唯一地根據(jù)低能電子衍射數(shù)據(jù)決定晶體表面原子的排列，低能電子衍射數(shù)據(jù)決定晶體表面原子的排列，這方面的研究仍在繼續(xù)進(jìn)行之中。這方面的研究仍在繼續(xù)進(jìn)行之中。LEED 低能電子衍射低能電子衍射一維衍射柵產(chǎn)生的散射圓錐一維衍射柵產(chǎn)生的散射圓錐 LEED 低能電子衍射低能電子衍射由于表面原子的散射截面很大，起散射作用的由于表面原子的散射截面很大，起散射作用的主要是表面第一層原子，作為近似，可按二維主要是表面第一層原子，作為近似，可按二維散射考慮。對(duì)于一維原子鏈，則相鄰原子間的散射考慮。對(duì)于一維原子鏈，則相鄰原子間的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，散射波發(fā)生衍射。光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍

6、時(shí)，散射波發(fā)生衍射。對(duì)于垂直入射的電子，則衍射條件為：對(duì)于垂直入射的電子，則衍射條件為：acos h = h ，h=0, 1, 2, 表明衍射方向處在與軸線成表明衍射方向處在與軸線成 h的圓錐面上。的圓錐面上。 LEED 低能電子衍射低能電子衍射如果熒光屏位于電子槍的如果熒光屏位于電子槍的同一方，且是以衍射柵為同一方，且是以衍射柵為球心的一個(gè)球面，則衍射球心的一個(gè)球面，則衍射圓錐和熒光屏的交線是一圓錐和熒光屏的交線是一組直線，間距為組直線，間距為r /a，r是是熒光屏的半徑。熒光屏的半徑。 LEED 低能電子衍射低能電子衍射對(duì)于二維網(wǎng)格，設(shè)二維網(wǎng)對(duì)于二維網(wǎng)格，設(shè)二維網(wǎng)格單元是長(zhǎng)方形，格單元是長(zhǎng)

7、方形，x方向間方向間距為距為a，y方向的間距為方向的間距為b。對(duì)垂直入射的情況，在對(duì)垂直入射的情況，在x方方向發(fā)生衍射的同時(shí)，在向發(fā)生衍射的同時(shí)，在y方方向上也有類似的衍射發(fā)生。向上也有類似的衍射發(fā)生。因此，對(duì)二維衍射柵，熒因此，對(duì)二維衍射柵，熒光屏上顯示出一組點(diǎn)光屏上顯示出一組點(diǎn) 。LEED 低能電子衍射低能電子衍射對(duì)于較復(fù)雜的二維晶格，對(duì)于較復(fù)雜的二維晶格，衍射條件為：衍射條件為：(s s0)(pa + qb) = n 若電子束垂直入射，則有若電子束垂直入射，則有 s(pa + qb) = n 即即 sa = h ，sb = k 。 LEED 低能電子衍射低能電子衍射在二維倒格子中，衍在二

8、維倒格子中，衍射方程為：射方程為：(s s0)/ = Hhk+NN是垂直于倒易晶格是垂直于倒易晶格的一個(gè)矢量。由衍射的一個(gè)矢量。由衍射方程，可以利用反射方程，可以利用反射圖的概念確定衍射方圖的概念確定衍射方向。向。 LEED 低能電子衍射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 低能電子衍射低能電子衍射因?yàn)檠苌浞较驔Q定于倒易晶格垂線與反射球的交點(diǎn)，若樣因?yàn)檠苌浞较驔Q定于倒易晶格垂線與反射球的交點(diǎn)，若樣品處于熒光屏的球心，則熒光屏上品處于熒光屏的球心，則熒光屏上LEED圖案是二維倒易圖案是二維倒易晶格的投影。晶格的投影。 LEED 低能電

9、子衍射低能電子衍射當(dāng)入射電子能量改變時(shí)，電子波長(zhǎng)發(fā)生變化，當(dāng)入射電子能量改變時(shí)，電子波長(zhǎng)發(fā)生變化，LEED圖案圖案隨之變化。當(dāng)電子能量變化時(shí)，隨之變化。當(dāng)電子能量變化時(shí)，(00)位置是不變的，這個(gè)位置是不變的，這個(gè)規(guī)律可以用來判斷那個(gè)斑一點(diǎn)是規(guī)律可以用來判斷那個(gè)斑一點(diǎn)是(00)點(diǎn)，點(diǎn)， 并且可以判斷并且可以判斷原電子束是否垂直入射。原電子束是否垂直入射。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用 v運(yùn)動(dòng)學(xué)理論：運(yùn)動(dòng)學(xué)理論：先考慮一維情況，設(shè)有先考慮一維情況，設(shè)有M個(gè)原子，則相鄰原子散個(gè)原子，則相鄰原子散射波的光程差為：射波的光程差為： -2(s s0)d/ -Kd K為散射矢量。為散射矢量。 L

10、EED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用若第若第j個(gè)原子的散射波為：個(gè)原子的散射波為： j = Acos t+ +j = ReAexpi( t+ +j ) 則合成的散射波為：則合成的散射波為： jjMAMtM012212sin/sin/cos()/ AtM012cos()/ LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用對(duì)于基矢為對(duì)于基矢為a, b，每個(gè)晶格內(nèi)有，每個(gè)晶格內(nèi)有N個(gè)原子的二維晶個(gè)原子的二維晶格，有：格，有：其中其中fn為網(wǎng)格內(nèi)第為網(wǎng)格內(nèi)第n個(gè)原子的散射因子。個(gè)原子的散射因子。 Re exp ()exp()AitfimmrnmMmMmMn33221101010112KabLEED 基本理論及應(yīng)

11、用基本理論及應(yīng)用定義定義F為單元網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)因子，則總散射波的強(qiáng)為單元網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)因子，則總散射波的強(qiáng)度為：度為：即即K a = 2h，K b = 2k時(shí)，發(fā)生衍射極大。時(shí)，發(fā)生衍射極大。 IA FMM222122222222sin ()sin ()sin ()sin ()K aK aK bK bLEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用結(jié)構(gòu)因子結(jié)構(gòu)因子F為：為： 將引起衍射光點(diǎn)的強(qiáng)弱將引起衍射光點(diǎn)的強(qiáng)弱不同，甚至消光。不同，甚至消光。 Ffi hxkynnNnn012exp()LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v吸附表面的LEED圖案： 單晶表面吸附氣體時(shí)，單晶表面吸附氣體時(shí)，LEED圖案將圖案

12、將隨之變化。改變后的衍射圖案反映了吸隨之變化。改變后的衍射圖案反映了吸附原子的排列規(guī)律。吸附表面的衍射圖附原子的排列規(guī)律。吸附表面的衍射圖案和原單晶面的衍射圖案有一定的幾何案和原單晶面的衍射圖案有一定的幾何關(guān)系。關(guān)系。LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用W(100)面吸氧前后的衍射圖案及可能的吸附原子面吸氧前后的衍射圖案及可能的吸附原子在表面的排列。根據(jù)這一結(jié)果，可以推測(cè)氧在在表面的排列。根據(jù)這一結(jié)果，可以推測(cè)氧在W(100)面的排列可能是面的排列可能是W(100)(2 2)-O。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v對(duì)于復(fù)雜的情況，吸對(duì)于復(fù)雜的情況，吸附面的原子排列可能附面的原子排列可

13、能有多種形式，因?yàn)槲卸喾N形式，因?yàn)槲矫嫜苌鋱D只說明吸附面衍射圖只說明吸附原子的單元網(wǎng)格的附原子的單元網(wǎng)格的形狀和大小，并不能形狀和大小，并不能給出具體的原子位置。給出具體的原子位置。 Cu(210)面吸氧前后的面吸氧前后的LEED圖及圖及可能的原子排列可能的原子排列 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用W(100)面吸氫前后的面吸氫前后的LEED圖及可能的原子排列。由圖及可能的原子排列。由此可以推出其表面結(jié)構(gòu)為此可以推出其表面結(jié)構(gòu)為W(100)( )R45o-H。 22LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v可以用代數(shù)矩陣方法從吸附原子排列求衍射圖，可以用代數(shù)矩陣方法從吸附原子排列求衍射

14、圖，也可從衍射圖求吸附表面結(jié)構(gòu)。也可從衍射圖求吸附表面結(jié)構(gòu)。 設(shè)設(shè)Ms為描述吸附表面結(jié)構(gòu)的矩陣，為描述吸附表面結(jié)構(gòu)的矩陣，Ms*為描述為描述吸附前后衍射圖間的聯(lián)系，則有：吸附前后衍射圖間的聯(lián)系，則有： abMabsssabMabs*s*s* *MMss*mmmmmmmm11122122222112111|*LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v同步網(wǎng)格同步網(wǎng)格 對(duì)于大多數(shù)吸附層，吸附原子緊密地排列在一對(duì)于大多數(shù)吸附層，吸附原子緊密地排列在一起。然而，某些吸附表面的起。然而，某些吸附表面的LEED圖案卻顯示圖案卻顯示出吸附原子所產(chǎn)生的周期很長(zhǎng)。這時(shí)，吸附層出吸附原子所產(chǎn)生的周期很長(zhǎng)。這時(shí)，吸附

15、層排列有兩種可能：排列有兩種可能：吸附分子相互作用距離很遠(yuǎn)；吸附分子相互作用距離很遠(yuǎn)；形成同步網(wǎng)格。形成同步網(wǎng)格。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用氨與氨與W(211)面相互作用后，在某一階段出現(xiàn)面相互作用后，在某一階段出現(xiàn) (7 2) 衍射圖案衍射圖案 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v 同步網(wǎng)格是吸附原子或分子間相互作用力和吸附原子同步網(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)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。的存在。v

16、如在如在Cu(111)面沉積面沉積Ag。因?yàn)椤Ｒ驗(yàn)锳g和和Cu都是面心立方晶都是面心立方晶體，體，Ag在在Cu(111)面上也傾向于按面上也傾向于按(111)面排列使自由能面排列使自由能最低。因?yàn)樽畹汀Ｒ驗(yàn)镃u和和Ag的的 (111) 面上的單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別面上的單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別為為aCu=0.2554 nm和和aAg=0.2886 nm，aCu / aAg= 0.884 8/9，所以只能形成，所以只能形成8 aAg=9 aCu的同步網(wǎng)格。的同步網(wǎng)格。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v不完善結(jié)構(gòu)的衍射不完善結(jié)構(gòu)的衍射 如果表面原子排列的周期性很完善，則如果表面原子排列的周期性很完善，則

17、LEED光點(diǎn)將很尖銳，并且背景很暗。如果結(jié)構(gòu)不完光點(diǎn)將很尖銳，并且背景很暗。如果結(jié)構(gòu)不完善，則背景亮度增加或出現(xiàn)其他圖案。常見的善，則背景亮度增加或出現(xiàn)其他圖案。常見的幾種不完善結(jié)構(gòu)的衍射圖有如下一些特征：整幾種不完善結(jié)構(gòu)的衍射圖有如下一些特征：整個(gè)背景增加，擴(kuò)散的亮點(diǎn)、環(huán)、裂開的亮點(diǎn)、個(gè)背景增加，擴(kuò)散的亮點(diǎn)、環(huán)、裂開的亮點(diǎn)、條紋等。條紋等。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用氧在氧在Cu(110)面上剛開始吸附時(shí)，氧原子傾向于在面上剛開始吸附時(shí)，氧原子傾向于在100方向擴(kuò)散，形成等距排列的長(zhǎng)條，此時(shí)衍射圖將出現(xiàn)方向擴(kuò)散，形成等距排列的長(zhǎng)條，此時(shí)衍射圖將出現(xiàn)衍射條紋，條紋的方向垂直于衍射條

18、紋，條紋的方向垂直于100方向，直到覆蓋度方向，直到覆蓋度較大時(shí)，條紋逐漸收縮而形成較大時(shí)，條紋逐漸收縮而形成(2 1)衍射斑。衍射斑。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用v臺(tái)階表面具有很獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。由一定臺(tái)階表面具有很獨(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)階表面稱為鄰界面或近真面。升的臺(tái)階表面稱為鄰界面或近真面。 LEED 基本理論及應(yīng)用基本理論及應(yīng)用鄰界面的結(jié)構(gòu)因子，干涉函數(shù)和散鄰界面的結(jié)構(gòu)因子，干涉函數(shù)和散射波強(qiáng)度射波強(qiáng)度 臺(tái)階及所對(duì)應(yīng)的反臺(tái)階及所對(duì)應(yīng)的反射球射球 LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜

19、 低能電子衍射圖形提供的只是有關(guān)表面周期性的信息，低能電子衍射圖形提供的只是有關(guān)表面周期性的信息，即元格的大小和形狀，他不能給出有關(guān)原子的位置。表即元格的大小和形狀，他不能給出有關(guān)原子的位置。表面層與襯底之間的距離和有關(guān)元格中原子分布的信息。面層與襯底之間的距離和有關(guān)元格中原子分布的信息。例如在立方例如在立方(001)面上形成面上形成C(2 2)結(jié)構(gòu)時(shí)，表層原子相對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)，表層原子相對(duì)襯底可以有四種不同的位置，而表層與襯底頂層的間距襯底可以有四種不同的位置，而表層與襯底頂層的間距則取決于表層原子取何種位置。則取決于表層原子取何種位置。 LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v為了解決以上這些問

20、題需要分析各級(jí)衍射束的強(qiáng)度隨為了解決以上這些問題需要分析各級(jí)衍射束的強(qiáng)度隨入射電子能量的變化。這種強(qiáng)度入射電子能量的變化。這種強(qiáng)度-入射電子能量入射電子能量(I-E)曲曲線稱為低能電子衍射譜。線稱為低能電子衍射譜。v在實(shí)際分析時(shí)，往往是固定入射電子束的方位角，然在實(shí)際分析時(shí)，往往是固定入射電子束的方位角，然后測(cè)量某幾級(jí)衍射束的強(qiáng)度隨電子束能量的變化。再后測(cè)量某幾級(jí)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)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)行比較，調(diào)節(jié)原子的位置使二者符合得最好，即可確行比較，調(diào)節(jié)原子的位置使二者符合得最好，即可確定表面的原子位置

21、。定表面的原子位置。v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)。和參數(shù)。 LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v 在純二維的情況下，電子不會(huì)受垂直方向上的周期勢(shì)在純二維的情況下，電子不會(huì)受垂直方向上的周期勢(shì)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)。的函數(shù)。v 對(duì)于純?nèi)S的衍射，只有當(dāng)入射束的能量為一定數(shù)值對(duì)于純?nèi)S的衍射，只有當(dāng)入射束的能量為一定數(shù)值時(shí)，才能看到某一衍射束。對(duì)于低能電子衍射，情況時(shí)，才能看到某一衍射束。對(duì)于低能電子衍射，情況正好介于二者之間。正好介于二者之間。

22、LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v 表面原子對(duì)低能電子的表面原子對(duì)低能電子的散射截面還未大到電子散射截面還未大到電子無法穿透表面的原子層，無法穿透表面的原子層，因此電子在一定程度上因此電子在一定程度上還受晶體內(nèi)部三維周期還受晶體內(nèi)部三維周期性的影響。性的影響。v 電子在衍射過程中還受電子在衍射過程中還受到多重散射等因素的影到多重散射等因素的影響。響。 Al(100)表面在正入射時(shí)各種表面在正入射時(shí)各種(h1h2)衍射束的衍射束的I-E曲線曲線LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v為精確計(jì)算為精確計(jì)算LEED譜的細(xì)節(jié)，除需要從理論上譜的細(xì)節(jié)，除需要從理論上計(jì)算晶體原子對(duì)低能電子的散射外，

23、還要考慮計(jì)算晶體原子對(duì)低能電子的散射外，還要考慮多次散射、非彈性碰撞及溫度效應(yīng)等問題。考多次散射、非彈性碰撞及溫度效應(yīng)等問題?？紤]多重散射的理論稱為動(dòng)力學(xué)理論。慮多重散射的理論稱為動(dòng)力學(xué)理論。v這些問題是很復(fù)雜的，必須做一些假定才能簡(jiǎn)這些問題是很復(fù)雜的，必須做一些假定才能簡(jiǎn)化計(jì)算，并得到和實(shí)際相近的結(jié)果。由于動(dòng)力化計(jì)算，并得到和實(shí)際相近的結(jié)果。由于動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，到學(xué)的復(fù)雜性，到1980年前后，只有大約一百多年前后，只有大約一百多種表面結(jié)構(gòu)被確定。種表面結(jié)構(gòu)被確定。 LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜被確定的表面結(jié)構(gòu)可分為六大類：被確定的表面結(jié)構(gòu)可分為六大類：清潔金屬表面；清潔金屬表面；

24、原子吸附表面；原子吸附表面； 半導(dǎo)體化合物和離子化合物表面；半導(dǎo)體化合物和離子化合物表面； 半導(dǎo)體元素表面；半導(dǎo)體元素表面； 重構(gòu)的清潔金屬表面；重構(gòu)的清潔金屬表面； 分子吸附表面。分子吸附表面。前三類表面結(jié)構(gòu)確定的較好，后三類由于結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，前三類表面結(jié)構(gòu)確定的較好，后三類由于結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，計(jì)算的復(fù)雜性和困難程度依次增加。計(jì)算的復(fù)雜性和困難程度依次增加。 LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v許多清潔金屬的表許多清潔金屬的表面結(jié)構(gòu)的確定可達(dá)面結(jié)構(gòu)的確定可達(dá)到百分之幾埃。到百分之幾埃。v表面原子的第一、表面原子的第一、第二層的距離比體第二層的距離比體內(nèi)受縮內(nèi)受縮0.6%，即，即0.002

25、nm。 Cu(100)面四個(gè)衍射束的面四個(gè)衍射束的I-E曲線的理論與曲線的理論與實(shí)驗(yàn)的比較實(shí)驗(yàn)的比較LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜(a) Ni(100)-(2 2)-O的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) (b) 預(yù)計(jì)的預(yù)計(jì)的Ni(100)-C(2 2)-C結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (c) LEED譜計(jì)算求出的譜計(jì)算求出的Ni(100)-C(2 2)-C實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu) LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜Fe(110)(2 2)-S結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的一種模型一種模型(模型模型I)，這，這里只調(diào)節(jié)層間距，但里只調(diào)節(jié)層間距，但所得出的鍵長(zhǎng)偏短。所得出的鍵長(zhǎng)偏短。圖圖模型模型II考慮了基底重考慮了基底重構(gòu)，并選擇合理的鍵構(gòu)，并選擇合

26、理的鍵長(zhǎng)。長(zhǎng)。LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v從計(jì)算結(jié)果與從計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線的比實(shí)驗(yàn)曲線的比較看，模型較看，模型II II的的符合程度比模符合程度比模型型I I好。好。LEED 低能電子衍射譜低能電子衍射譜v 目前，目前，LEED分析可達(dá)到的極限可能性是：分析可達(dá)到的極限可能性是： 單元網(wǎng)格面積限于單元網(wǎng)格面積限于2.5 nm； 同層單元網(wǎng)格內(nèi)的原子數(shù)不超過同層單元網(wǎng)格內(nèi)的原子數(shù)不超過4； 縱向尺寸的誤差一般在縱向尺寸的誤差一般在0.01 nm以內(nèi)，橫向尺以內(nèi)，橫向尺寸誤差在寸誤差在 0.02 nm 以內(nèi)；以內(nèi)； 鍵長(zhǎng)誤差在鍵長(zhǎng)誤差在 0.0050.02 nm，百分誤差為，百分誤差為

27、210%。 HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射(RHEED)用高能電子用高能電子(1030 keV)作為探測(cè)束。由于高能電子在固體中作為探測(cè)束。由于高能電子在固體中的穿透深度和非彈性散射自由程都較大，為測(cè)量的穿透深度和非彈性散射自由程都較大，為測(cè)量表面信息，入射電子采用略射方式，即入射束和表面信息，入射電子采用略射方式，即入射束和樣品表面的夾角小于樣品表面的夾角小于5o。在這種能量下，背彈性。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。射束也處在掠射方向。 HRE

28、ED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射RHEED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射vRHEED常配合分子束外延在晶體生長(zhǎng)過程中常配合分子束外延在晶體生長(zhǎng)過程中不斷監(jiān)測(cè)結(jié)晶的情況。不斷監(jiān)測(cè)結(jié)晶的情況。v由于由于RHEED對(duì)表面有一定的穿透，故適于研對(duì)表面有一定的穿透，故適于研究一些從表面向體內(nèi)發(fā)展的化學(xué)吸附和表面反究一些從表面向體內(nèi)發(fā)展的化學(xué)吸附和表面反應(yīng)，如腐蝕、氧化、碳化、化合物形成等，以應(yīng)，如腐蝕、氧化、碳化、化合物形成等，以及一些表面組分由表面至內(nèi)部有所不同的多組及一些表面組分由表面至內(nèi)部有所不同的多組分系統(tǒng)，如材料的硬化、鈍化、離子注入等過分系統(tǒng)，如材料

29、的硬化、鈍化、離子注入等過程所形成的表面。程所形成的表面。 HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射v由于入射電子能量很高，波長(zhǎng)很短，故反射球由于入射電子能量很高，波長(zhǎng)很短，故反射球半徑很大，比倒易晶格基矢長(zhǎng)度大半徑很大，比倒易晶格基矢長(zhǎng)度大40倍左右。倍左右。按衍射原理按衍射原理(00)束應(yīng)取鏡面反射方向，如束應(yīng)取鏡面反射方向，如k。 HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射v如果反射球或倒易晶格桿有點(diǎn)如果反射球或倒易晶格桿有點(diǎn)“模糊模糊”，則熒，則熒光屏上顯的不是一個(gè)點(diǎn)而是一條光屏上顯的不是一個(gè)點(diǎn)而是一條“條紋條紋”。v例如例如:由于入射電子束有一定的發(fā)射角由于入射電子束有

30、一定的發(fā)射角;能量分散使反射球展寬能量分散使反射球展寬;由于聲子散射和表面有些無序使倒易晶格桿展由于聲子散射和表面有些無序使倒易晶格桿展寬；寬；HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射v由于反射球半徑很大，和球面相交的除由于反射球半徑很大，和球面相交的除 (00) 桿桿外還有外還有(01), (01)桿，甚至桿，甚至(02), (02)桿，這些桿桿，這些桿將形成相應(yīng)的衍射條紋。將形成相應(yīng)的衍射條紋。 如果已知樣品至熒光屏的距離為如果已知樣品至熒光屏的距離為L(zhǎng)， 衍射條紋衍射條紋之間的距離為之間的距離為t，則，則 tg = |b*| = t/L， |b*| =t/L。 HREED 反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射v如果保持晶面發(fā)線的如果保持晶面發(fā)線的方向不變，轉(zhuǎn)動(dòng)晶體方向不變，轉(zhuǎn)動(dòng)晶體使晶面的經(jīng)角轉(zhuǎn)動(dòng)使晶面的經(jīng)角轉(zhuǎn)動(dòng)90o或其它角度，就或其它角度，就可以測(cè)出可以測(cè)出|a*|的大小，的大小，從而確定晶面單元的從而確