低能電子衍射LEED

1、Low Energy Electron DiffractionLow Energy Electron Diffraction NANKAI UNIVERSITYNANKAI UNIVERSITY信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院 許帥家許帥家低能電子衍射（低能電子衍射（LEED）：）：描述的是這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)把一個單一低能量的(能量范圍大約從5ev到500ev)電子束，以接近于垂直的方向投射到具有完整晶格結(jié)構(gòu)的晶體清潔表面上時，電子束將與表面晶格發(fā)生作用；一部分電子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束進(jìn)入可移動的接收器進(jìn)行強(qiáng)度測量，或者再被加速至熒光屏，給出可觀察的衍射圖像。什么是低能電

2、子衍射？什么是低能電子衍射？電子束中的入射電子只能進(jìn)入表面幾個原子層的深度。隨著能量降低，透入深度也減小，從LEED得到的信息是晶體的表面結(jié)構(gòu)，因此LEED是研究單晶表面層原子排列的一種有效方法。固體表面研究是材料科學(xué)中發(fā)展最快的部分，而低能電子衍射(LEED)是研究表面微觀結(jié)構(gòu)的最重要的技術(shù)，它提供表面的晶體學(xué)信息。低能電子衍射的原理低能電子衍射的原理與X-射線衍射相似，不同的是X-射線傳入固體的深度較深，一般在微米量級，因此所求的結(jié)構(gòu)是穿入深度內(nèi)的平均值，屬于體內(nèi)結(jié)構(gòu)。如今，如今，LEED成為表面實驗研究的標(biāo)準(zhǔn)手段成為表面實驗研究的標(biāo)準(zhǔn)手段。70年代開始，對表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。年代開始，對表

3、面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。 50年代，人們開始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。年代，人們開始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。30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1921年年 Davisson 和和Germer研究了電子束在單晶表面的散射現(xiàn)象。研究了電子束在單晶表面的散射現(xiàn)象。2.低能衍射對電子槍的要求3.低能衍射的實驗方法1.低能衍射基本裝置低能衍射基本裝置低能電子衍射系統(tǒng)及其實驗方法低能電子衍射系統(tǒng)及其實驗方法 低能電子衍射實驗裝置如圖所示。這種裝置是一種低能電子衍射-俄歇和光電子譜聯(lián)合系統(tǒng)。即利用此系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對低能電子在晶體表面衍射束點(diǎn)的檢 測，而且

4、也能夠利用其能量分析系統(tǒng)測定表面的俄歇電子及光電子能譜。低能電子衍射實驗裝置圖 低能衍射基本裝置低能衍射基本裝置1低能電子衍射系統(tǒng)有各種設(shè)計，但是基本結(jié)構(gòu)如圖所示，衍射電子可低能電子衍射系統(tǒng)有各種設(shè)計，但是基本結(jié)構(gòu)如圖所示，衍射電子可用兩種不同的接收器來探測，一種用法拉第接收器，另一種用屏幕顯用兩種不同的接收器來探測，一種用法拉第接收器，另一種用屏幕顯示。示。試樣放在一個夾具上，可繞一個或多個軸旋轉(zhuǎn)以便變換電子入射角。試樣放在一個夾具上，可繞一個或多個軸旋轉(zhuǎn)以便變換電子入射角。夾具上可以出電引線、裝入電阻加熱元件、加上冷卻器如液氮冷卻或夾具上可以出電引線、裝入電阻加熱元件、加上冷卻器如液氮冷卻

5、或裝接熱電偶等，正對試樣的是一個提供入射電子的電子槍，電子束流裝接熱電偶等，正對試樣的是一個提供入射電子的電子槍，電子束流約為幾個微安。約為幾個微安。 低能電子束的接收一般使用球柵減速場能量分析系統(tǒng)，即所謂的LEED系統(tǒng)。LEED系統(tǒng)使用球柵型減速球柵型減速場能量分析器。場能量分析器。 通過此系統(tǒng)選擇出彈性衍射電子，并經(jīng)過加速后打到熒光屏上，就能看到電子束的衍射斑點(diǎn)或環(huán)。低能電子在固體表面上的衍射斑的結(jié)構(gòu)，依賴于固體的表面結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)對電子槍的要求是比較高的。這是因為低能電子衍射所要求的入射電子束應(yīng)該是單色、平行并具有一定束流強(qiáng)度（1-4uA）的電子束。電子槍中要使用低溫陰極，使從陰極發(fā)射出來

6、的電子具有較小的初速度。低能電子槍常采用長漂移管結(jié)構(gòu)。低能電子槍常采用長漂移管結(jié)構(gòu)。24 低能衍射實驗對電子槍的要求低能衍射實驗對電子槍的要求槍體主要有槍體主要有兩部分組成兩部分組成第一部分是陰極與控制極構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)。第一部分是陰極與控制極構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)。第二部分是三只同軸長管組成的漂移聚焦系統(tǒng)。第二部分是三只同軸長管組成的漂移聚焦系統(tǒng)。電子槍的電子槍的長漂移管結(jié)構(gòu)長漂移管結(jié)構(gòu)A1 A2 A3A1為長漂移管，也稱為第一陽極，是它決定了低能電子束的單 色性、平行性以及束流的強(qiáng)度。A2為聚焦極，常加負(fù)電位。A3為第二陽極，接地。電子槍剖面圖電子槍剖面圖 在電子束出口處，又由在電子束出口處，又由A

7、1，A2和和A3構(gòu)成主聚焦區(qū)。這個主聚焦區(qū)構(gòu)成主聚焦區(qū)。這個主聚焦區(qū)主要是為了對從漂移管出來的電子束實施弱聚焦。主要是為了對從漂移管出來的電子束實施弱聚焦。 低能衍射實驗方法低能衍射實驗方法3ABC球柵各網(wǎng)按要求加電壓球柵各網(wǎng)按要求加電壓樣品安裝及清潔樣品安裝及清潔衍射斑強(qiáng)度的測量衍射斑強(qiáng)度的測量3 低能衍射實驗方法低能衍射實驗方法柵網(wǎng)柵網(wǎng)2、3上加一與入射電子能量相近的減速電壓上加一與入射電子能量相近的減速電壓在熒光屏上加在熒光屏上加5-7kV高壓高壓A 球柵各網(wǎng)按要求加電壓球柵各網(wǎng)按要求加電壓3 低能衍射實驗方法低能衍射實驗方法進(jìn)入真空室之前進(jìn)入真空室之前X射線定出晶面取向射線定出晶面取向

8、機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕進(jìn)入系統(tǒng)之后進(jìn)入系統(tǒng)之后首先用首先用150-500eV的氬離子轟擊的氬離子轟擊其次在晶體表面加以高溫烘烤，并通入少量氧氣。其次在晶體表面加以高溫烘烤，并通入少量氧氣。B 樣品安裝及清潔樣品安裝及清潔3 低能衍射實驗方法低能衍射實驗方法Ce外圓筒外圓筒(接地）接地）內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒導(dǎo)出線接微導(dǎo)出線接微電流放大電流放大eEp接收器：法拉第圓筒接收器：法拉第圓筒C 衍射斑強(qiáng)度的測量衍射斑強(qiáng)度的測量低能衍射在表面結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用低能衍射在表面結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用低能電子衍射在表面分析中的主要應(yīng)用為分析表面的結(jié)構(gòu)，以研究表面形成的機(jī)理，表面性質(zhì)與表面結(jié)構(gòu)的關(guān)系，表面的吸附特點(diǎn)

9、，吸附原子的空間位置，表面結(jié)構(gòu)與表面態(tài)的關(guān)系等。低能電子衍射應(yīng)用的主要領(lǐng)域低能電子衍射應(yīng)用的主要領(lǐng)域?qū)τ谇鍧嵄砻娴姆治鰧ξ奖砻娴姆治霰砻娼Y(jié)晶學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)；表面結(jié)晶學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)；1表面相鑒定吸附、偏析、結(jié)構(gòu)重組；表面相鑒定吸附、偏析、結(jié)構(gòu)重組；2表面動態(tài)過程的分析長大動力學(xué)、熱振動；表面動態(tài)過程的分析長大動力學(xué)、熱振動；3確定表面原子位置，確定表面原子位置，4LEED的基本用途的基本用途LEED的優(yōu)勢的優(yōu)勢LEED與其他方法的區(qū)別與其他方法的區(qū)別SEM、AFM圖案反映的是直觀、真實的表面形貌。LEED需要經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換后才能得到實際晶格的數(shù)據(jù)。對表面形貌的分辨率已接近原子分辨，但受針尖或樣品在力作用下的變形的影響，無法精確測定表面二維結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)。通常用來觀察材料的斷面以及顯微組織的三維形象，但是無法鑒別晶體二維結(jié)構(gòu)能夠確定晶體表面的二維