低能电子能谱(LEED)

低能电子能谱(LEED)

LowEnergyElectronDiffractionLEED引言1921年Davisson和Germer就研讨了电子束在单晶外表的散射景象。并发现了电子的散射不是各向同性的。30年代后，人们开场了低能电子衍射方面的研讨。50年代，随着超高真空技术的开展，人们识别到获得清洁外表对察看低能电子衍射图象的重要性，用LEED研讨了Ti,Ge,Si,Ni,SiC等的外表原子陈列，并开场研讨气体在单晶外表的吸附景象。LEED引言从七十年代开场，开展了LEED强度特性的实际研讨，并结合计算机模拟计算，对外表构造进展研讨。目前，人们已对一百多种外表构造进展了研讨，得到许多外表吸附构造方面的新知识。LEED低能电子衍射入射电子的能量通常为20~500eV，对应的波长为0.3~0.05nm。低能电子衍射安装的原理表示图LEED低能电子衍射LEED低能电子衍射晶体中的原子对能量在0~500eV范围内的电子有很大的散射截面，入射电子在经受弹性或非弹性散射之前是不能进入晶体很深的。因此，背散射电子中绝大部分是被外表或近外表的原子散射回来的，这就使低能电子衍射成为研讨外表构造的一个理想的手段。LEED低能电子衍射正是由于晶体原子对低能电子散射的截面很大，使得电子在分开晶体前经受多次散射的几率很大，这种景象称为多重散射。由于多重散射的存在，使低能电子衍射结果的分析变得极为复杂。至今，还不能独一地根据低能电子衍射数据决议晶体外表原子的陈列，这方面的研讨仍在继续进展之中。LEED低能电子衍射一维衍射栅产生的散射圆锥LEED低能电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层原子，作为近似，可按二维散射思索。对于一维原子链，那么相邻原子间的光程差等于波长的整数倍时，散射波发生衍射。对于垂直入射的电子，那么衍射条件为：acosh=h，h=0,1,2,……

阐明衍射方向处在与轴线成h的圆锥面上。LEED低能电子衍射假设荧光屏位于电子枪的同一方，且是以衍射栅为球心的一个球面，那么衍射圆锥和荧光屏的交线是一组直线，间距为r/a，r是荧光屏的半径。LEED低能电子衍射对于二维网格，设二维网格单元是长方形，x方向间距为a，y方向的间距为b。对垂直入射的情况，在x方向发生衍射的同时，在y方向上也有类似的衍射发生。因此，对二维衍射栅，荧光屏上显示出一组点。LEED低能电子衍射对于较复杂的二维晶格，衍射条件为：(ss0)·(pa+qb)=n假设电子束垂直入射，那么有

s·(pa+qb)=n

即s·a=h，s·b=k。LEED低能电子衍射在二维倒格子中，衍射方程为：(ss0)/=Hhk+NN是垂直于倒易晶格的一个矢量。由衍射方程，可以利用反射图的概念确定衍射方向。LEED低能电子衍射由二维倒易晶格和厄华德球确定的衍射方向LEED低能电子衍射由于衍射方向决议于倒易晶格垂线与反射球的交点，假设样品处于荧光屏的球心，那么荧光屏上LEED图案是二维倒易晶格的投影。LEED低能电子衍射当入射电子能量改动时，电子波长发生变化，LEED图案随之变化。当电子能量变化时，(00)位置是不变的，这个规律可以用来判别那个斑一点是(00)点，并且可以判别原电子束能否垂直入射。LEED根本实际及运用运动学实际：先思索一维情况，设有M个原子，那么相邻原子散射波的光程差为：＝-2(ss0)·d/λ＝-K·d

K为散射矢量。LEED根本实际及运用假设第j个原子的散射波为：j=Acos[t++j]=Re[Aexpi(t++j)]那么合成的散射波为：LEED根本实际及运用对于基矢为a,b，每个晶格内有N个原子的二维晶格，有：其中fn为网格内第n个原子的散射因子。LEED根本实际及运用定义F为单元网格的构造因子，那么总散射波的强度为：即Ka=2h，Kb=2k时，发生衍射极大。LEED根本实际及运用构造因子F为：将引起衍射光点的强弱不同，甚至消光。LEED根本实际及运用吸附外表的LEED图案：单晶外表吸附气体时，LEED图案将随之变化。改动后的衍射图案反映了吸附原子的陈列规律。吸附外表的衍射图案和原单晶面的衍射图案有一定的几何关系。LEED根本实际及运用W(100)面吸氧前后的衍射图案及能够的吸附原子在外表的陈列。根据这一结果，可以推测氧在W(100)面的陈列能够是W(100)(22)-O。LEED根本实际及运用对于复杂的情况，吸附面的原子陈列能够有多种方式，由于吸附面衍射图只阐明吸附原子的单元网格的外形和大小，并不能给出详细的原子位置。Cu(210)面吸氧前后的LEED图及能够的原子陈列LEED根本实际及运用W(100)面吸氢前后的LEED图及能够的原子陈列。由此可以推出其外表构造为W(100)()R45o-H。LEED根本实际及运用可以用代数矩阵方法从吸附原子陈列求衍射图，也可从衍射图求吸附外表构造。设Ms为描画吸附外表构造的矩阵，Ms*为描画吸附前后衍射图间的联络，那么有：LEED根本实际及运用同步网格对于大多数吸附层，吸附原子严密地陈列在一同。然而，某些吸附外表的LEED图案却显示出吸附原子所产生的周期很长。这时，吸附层陈列有两种能够：吸附分子相互作用间隔很远；构成同步网格。LEED根本实际及运用氨与W(211)面相互作用后，在某一阶段出现(72)衍射图案LEED根本实际及运用同步网格是吸附原子或分子间相互作用力和吸附原子与基体原子作用力共同作用所导致的吸附层周期与基体周期的分数匹配。同步网格可用来解释高阶分数点的存在。如在Cu(111)面堆积Ag。由于Ag和Cu都是面心立方晶体，Ag在Cu(111)面上也倾向于按(111)面陈列使自在能最低。由于Cu和Ag的(111)面上的单元网格边长分别为aCu=0.2554nm和aAg=0.2886nm，aCu/aAg=0.8848/9，所以只能构成8aAg=9aCu的同步网格。LEED根本实际及运用不完善构造的衍射假设外表原子陈列的周期性很完善，那么LEED光点将很锋利，并且背景很暗。假设构造不完善，那么背景亮度添加或出现其他图案。常见的几种不完善构造的衍射图有如下一些特征：整个背景添加，分散的亮点、环、裂开的亮点、条纹等。LEED根本实际及运用氧在Cu(110)面上刚开场吸附时，氧原子倾向于在[100]方向分散，构成等距陈列的长条，此时衍射图将出现衍射条纹，条纹的方向垂直于[100]方向，直到覆盖度较大时，条纹逐渐收缩而构成(21)衍射斑。LEED根本实际及运用台阶外表具有很独特的物理化学性质。由一定宽度的低指数面平台和原子台阶组成的单调上升的台阶外表称为邻界面或近真面。LEED根本实际及运用邻界面的构造因子，干涉函数和散射波强度台阶及所对应的反射球LEED低能电子衍射谱低能电子衍射图形提供的只是有关外表周期性的信息，即元格的大小和外形，他不能给出有关原子的位置。外表层与衬底之间的间隔和有关元格中原子分布的信息。例如在立方(001)面上构成C(22)构造时，表层原子相对衬底可以有四种不同的位置，而表层与衬底顶层的间距那么取决于表层原子取何种位置。LEED低能电子衍射谱为理处理以上这些问题需求分析各级衍射束的强度随入射电子能量的变化。这种强度-入射电子能量(I-E)曲线称为低能电子衍射谱。在实践分析时，往往是固定入射电子束的方位角，然后丈量某几级衍射束的强度随电子束能量的变化。再将这些实验数据与根据某种模型计算出来的衍射谱进展比较，调理原子的位置使二者符合得最好，即可确定外表的原子位置。这种计算相当复杂，而且结果往往取决于所选的模型和参数。LEED低能电子衍射谱在纯二维的情况下，电子不会受垂直方向上的周期势的影响，这时强度随电子能量的变化是一个单调下降的函数。对于纯三维的衍射，只需当入射束的能量为一定数值时，才干看到某一衍射束。对于低能电子衍射，情况正好介于二者之间。LEED低能电子衍射谱外表原子对低能电子的散射截面还未大到电子无法穿透外表的原子层，因此电子在一定程度上还受晶体内部三维周期性的影响。电子在衍射过程中还遭到多重散射等要素的影响。Al(100)外表在正入射时各种(h1h2)衍射束的I-E曲线LEED低能电子衍射谱为准确计算LEED谱的细节，除需求从实际上计算晶体原子对低能电子的散射外，还要思索多次散射、非弹性碰撞及温度效应等问题。思索多重散射的实际称为动力学实际。这些问题是很复杂的，必需做一些假定才干简化计算，并得到和实践相近的结果。由于动力学的复杂性，到1980年前后，只需大约一百多种外表构造被确定。LEED低能电子衍射谱被确定的外表构造可分为六大类：清洁金属外表；原子吸附外表；半导体化合物和离子化合物外表；半导体元素外表；重构的清洁金属外表；分子吸附外表。前三类外表构造确定的较好，后三类由于构造参数较多，计算的复杂性和困难程度依次添加。LEED低能电子衍射谱许多清洁金属的外表构造确实定可到达百分之几埃。外表原子的第一、第二层的间隔比体内受缩0.6%，即0.002nm。Cu(100)面四个衍射束的I-E曲线的实际与实验的比较LEED低能电子衍射谱(a)Ni(100)-(22)-O的构造(b)估计的Ni(100)-C(22)-C构造(c)LEED谱计算求出的Ni(100)-C(22)-C实践构造LEED低能电子衍射谱Fe(110)(22)-S构造的一种模型(模型I)，这里只调理层间距，但所得出的键长偏短。图模型II思索了基底重构，并选择合理的键长。LEED低能电子衍射谱从计算结果与实验曲线的比较看，模型II的符合程度比模型I好。LEED低能电子衍射谱目前，LEED分析可到达的极限能够性是：单元网格面积限于2.5nm；同层单元网格内的原子数不超越4；纵向尺寸的误差普通在0.01nm以内，横向尺寸误差在0.02nm以内；键长误差在0.005~0.02nm，百分误差为2~10%。HREED反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射(RHEED)用高能电子(10~30keV)作为探测束。由于高能电子在固体中的穿透深度和非弹性散射自在程都较大，为丈量外表信息，入射电子采用略射方式，即入射束和样品外表的夹角小于5o。在这种能量下，背弹性散射很弱，弹性散射主要是在前进方向，因此衍射束也处在掠射方向。HREED反射式高能电子衍射RHEED的构造HREED反射式高能电子衍射RHEED常配合分子束外延在晶体生长过程中不断监测结晶的情况。由于RHEED对外表有一定的穿透，故适于研讨一些从外表向体内开展的化学吸附和外表反响，如腐蚀、氧化、碳化、化合物构成等，以及一些外表组分由外表至内部有所不同的多组分系统，如资料的硬化、钝化、离子注入等过程所构成的外表。HREED反射式高能电子衍射由于入射电子能量很高，波长很短，故反射球半径很大，比倒易晶格基矢长度大40倍左右。按衍射原理(00)束应取镜面反射方向，如k'。HREED反射式高能电子衍射假设反射球或倒易晶格杆有点“模糊〞，那么荧光屏上显的不是一个点而是一条“条纹〞。例如:由于入射电子束有一定的发射角;能量分散使反射球展宽;由于声子散射和外表有些无序使倒易晶格杆展宽；HREED反射式高能电子衍射由于反射球半径很大，和球面相交的除(00)杆外还有(01),(01)杆，甚至(02),(02)杆，这些杆将构成相应的衍射条纹。假设知样品至荧光屏的间隔为L，衍射条纹之间的间隔为t，那么tg=|b*|=t/L，|b*|=t/L。HREED反射式高能电子衍射假设坚持晶面发线的方向不变，转动晶体使晶面的经角转动90o或其它角度，就可以测出|a*|的大小，从而确定晶面单元的外形和大小。HREED反射式高能电子衍射由于采用掠射方式，RHEED对样品制备有很严厉的要求，即样品外表要经过抛光，并且要求在很大范围内是一平面。假设外表粗糙，那么针尖或凸起部分将挡住外表的其他部分，这时电子将穿过凸起部分，产生体资料的衍射图案，荧光屏上显的是一系列光点而不是条纹。从这个角度来说，RHEED对外表非常敏感，并可用于研讨外表的三维效应，如重的氧化或腐、外延生长。HREED反射式高能电子衍射与LEED相比，RHEED的荧光屏不需求加高压电源，由于衍射电子本身有足够大的能量。荧光屏可做