低能电子衍射LEED

1、Low Energy Electron DiffractionLow Energy Electron Diffraction NANKAI UNIVERSITYNANKAI UNIVERSITY信息技术科学学院信息技术科学学院 许帅家许帅家低能电子衍射（低能电子衍射（LEED）：）：描述的是这样一种现象，当把一个单一低能量的(能量范围大约从5ev到500ev)电子束，以接近于垂直的方向投射到具有完整晶格结构的晶体清洁表面上时，电子束将与表面晶格发生作用；一部分电子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束进入可移动的接收器进行强度测量，或者再被加速至荧光屏，给出可观察的衍射图像。什么是低能电

2、子衍射？什么是低能电子衍射？电子束中的入射电子只能进入表面几个原子层的深度。随着能量降低，透入深度也减小，从LEED得到的信息是晶体的表面结构，因此LEED是研究单晶表面层原子排列的一种有效方法。固体表面研究是材料科学中发展最快的部分，而低能电子衍射(LEED)是研究表面微观结构的最重要的技术，它提供表面的晶体学信息。低能电子衍射的原理低能电子衍射的原理与X-射线衍射相似，不同的是X-射线传入固体的深度较深，一般在微米量级，因此所求的结构是穿入深度内的平均值，属于体内结构。如今，如今，LEED成为表面实验研究的标准手段成为表面实验研究的标准手段。70年代开始，对表面结构进行研究。年代开始，对表

3、面结构进行研究。 50年代，人们开始研究气体在单晶表面的吸附现象。年代，人们开始研究气体在单晶表面的吸附现象。30年代后，人们开始了低能电子衍射方面的研究年代后，人们开始了低能电子衍射方面的研究1921年年 Davisson 和和Germer研究了电子束在单晶表面的散射现象。研究了电子束在单晶表面的散射现象。2.低能衍射对电子枪的要求3.低能衍射的实验方法1.低能衍射基本装置低能衍射基本装置低能电子衍射系统及其实验方法低能电子衍射系统及其实验方法 低能电子衍射实验装置如图所示。这种装置是一种低能电子衍射-俄歇和光电子谱联合系统。即利用此系统不仅能够实现对低能电子在晶体表面衍射束点的检 测，而且

4、也能够利用其能量分析系统测定表面的俄歇电子及光电子能谱。低能电子衍射实验装置图 低能衍射基本装置低能衍射基本装置1低能电子衍射系统有各种设计，但是基本结构如图所示，衍射电子可低能电子衍射系统有各种设计，但是基本结构如图所示，衍射电子可用两种不同的接收器来探测，一种用法拉第接收器，另一种用屏幕显用两种不同的接收器来探测，一种用法拉第接收器，另一种用屏幕显示。示。试样放在一个夹具上，可绕一个或多个轴旋转以便变换电子入射角。试样放在一个夹具上，可绕一个或多个轴旋转以便变换电子入射角。夹具上可以出电引线、装入电阻加热元件、加上冷却器如液氮冷却或夹具上可以出电引线、装入电阻加热元件、加上冷却器如液氮冷却

5、或装接热电偶等，正对试样的是一个提供入射电子的电子枪，电子束流装接热电偶等，正对试样的是一个提供入射电子的电子枪，电子束流约为几个微安。约为几个微安。 低能电子束的接收一般使用球栅减速场能量分析系统，即所谓的LEED系统。LEED系统使用球栅型减速球栅型减速场能量分析器。场能量分析器。 通过此系统选择出弹性衍射电子，并经过加速后打到荧光屏上，就能看到电子束的衍射斑点或环。低能电子在固体表面上的衍射斑的结构，依赖于固体的表面结构。 系统对电子枪的要求是比较高的。这是因为低能电子衍射所要求的入射电子束应该是单色、平行并具有一定束流强度（1-4uA）的电子束。电子枪中要使用低温阴极，使从阴极发射出来

6、的电子具有较小的初速度。低能电子枪常采用长漂移管结构。低能电子枪常采用长漂移管结构。24 低能衍射实验对电子枪的要求低能衍射实验对电子枪的要求枪体主要有枪体主要有两部分组成两部分组成第一部分是阴极与控制极构成的发射系统。第一部分是阴极与控制极构成的发射系统。第二部分是三只同轴长管组成的漂移聚焦系统。第二部分是三只同轴长管组成的漂移聚焦系统。电子枪的电子枪的长漂移管结构长漂移管结构A1 A2 A3A1为长漂移管，也称为第一阳极，是它决定了低能电子束的单 色性、平行性以及束流的强度。A2为聚焦极，常加负电位。A3为第二阳极，接地。电子枪剖面图电子枪剖面图 在电子束出口处，又由在电子束出口处，又由A

7、1，A2和和A3构成主聚焦区。这个主聚焦区构成主聚焦区。这个主聚焦区主要是为了对从漂移管出来的电子束实施弱聚焦。主要是为了对从漂移管出来的电子束实施弱聚焦。 低能衍射实验方法低能衍射实验方法3ABC球栅各网按要求加电压球栅各网按要求加电压样品安装及清洁样品安装及清洁衍射斑强度的测量衍射斑强度的测量3 低能衍射实验方法低能衍射实验方法栅网栅网2、3上加一与入射电子能量相近的减速电压上加一与入射电子能量相近的减速电压在荧光屏上加在荧光屏上加5-7kV高压高压A 球栅各网按要求加电压球栅各网按要求加电压3 低能衍射实验方法低能衍射实验方法进入真空室之前进入真空室之前X射线定出晶面取向射线定出晶面取向

8、机械抛光和化学腐蚀机械抛光和化学腐蚀进入系统之后进入系统之后首先用首先用150-500eV的氩离子轰击的氩离子轰击其次在晶体表面加以高温烘烤，并通入少量氧气。其次在晶体表面加以高温烘烤，并通入少量氧气。B 样品安装及清洁样品安装及清洁3 低能衍射实验方法低能衍射实验方法Ce外圆筒外圆筒(接地）接地）内圆筒内圆筒导出线接微导出线接微电流放大电流放大eEp接收器：法拉第圆筒接收器：法拉第圆筒C 衍射斑强度的测量衍射斑强度的测量低能衍射在表面结构分析中的应用低能衍射在表面结构分析中的应用低能电子衍射在表面分析中的主要应用为分析表面的结构，以研究表面形成的机理，表面性质与表面结构的关系，表面的吸附特点

9、，吸附原子的空间位置，表面结构与表面态的关系等。低能电子衍射应用的主要领域低能电子衍射应用的主要领域对于清洁表面的分析对吸附表面的分析表面结晶学及微观结构；表面结晶学及微观结构；1表面相鉴定吸附、偏析、结构重组；表面相鉴定吸附、偏析、结构重组；2表面动态过程的分析长大动力学、热振动；表面动态过程的分析长大动力学、热振动；3确定表面原子位置，确定表面原子位置，4LEED的基本用途的基本用途LEED的优势的优势LEED与其他方法的区别与其他方法的区别SEM、AFM图案反映的是直观、真实的表面形貌。LEED需要经过计算转换后才能得到实际晶格的数据。对表面形貌的分辨率已接近原子分辨，但受针尖或样品在力作用下的变形的影响，无法精确测定表面二维结构的有关参数。通常用来观察材料的断面以及显微组织的三维形象，但是无法鉴别晶体二维结构能够确定晶体表面的二维