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1、6.2 低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction,LEED）,当低能(10-500eV) 电子射向固体表面，如果表面原子有某种长程有序排列，则入射电子通过这种表面“原子光栅” 时会发生衍射，在实验上可得到低能电子衍射斑点构成的图样。 由于低能电子只能穿透几个原子层(0.5nm - 1 nm) ，所以LEED只给出表面层原子结构信息。,The de Broglie wavelength of 20 eV electron:,研究表面结构的LEED实验分两类： 观测电子弹性相干散射形成的衍射图样，即LEED图样，由此很容易算出表面原胞的形状和尺度； 测定某一衍射
2、斑强度随电子能量的变化，表征这一关系的实验曲线称LEED谱，或叫I-V曲线（I为衍射斑强度；V为电子动能），由于这种谱的形态与电子在表面的多重散射有关，从而有可能定量测定表面原子配置的具体尺寸（可精确到0.002nm以上） 本节主要讨论LEED图样。,LEED在表面研究中的功用有： 检查晶面长程有序的程度； 考察清洁表面的再构； 确定吸附物相对于衬底原胞的结构； 通过LEED谱强度分析，对原子的三维配置作定量测定。,LEED的衍射原理与X光衍射相同。它们的差别除了被散射粒子不同外，散射体对被散射粒子的相互作用亦不同。LEED的入射电子由原子实的静电作用而形成弹性散射。 与LEED图有关的原理称
3、为运动学理论。理论模型只考虑入射电子波与晶面格点作单次弹性散射所确定的衍射极大条件。,(1) LEED的衍射原理,Features to note: (1) Sinq is proportional to1/d - diffraction angle gets bigger as d becomes smaller (2) Sinq is proportional to - diffraction angle becomes bigger as electron KE becomes smaller (3) Diffraction has same probability with n=1 a
4、nd n=-1 - diffraction pattern is symmetric,Possible to explain surface diffraction in terms of scattering from rows of atoms but quickly becomes cumbersome. Can build a general theory based on reciprocal relationship of diffraction angle and electron wavelength.,Ewald Sphere Construction in 3-D,Defi
5、ne wavenumber as reciprocal of wavelength,is really a measure of momentum,During elastic scattering (diffraction): - both energy and the magnitude of the electron momentum are conserved - direction of momentum is changed,So how do we determine scattering angle knowing,is conserved?,Draw reciprocal l
6、attice (k-space lattice):,Reciprocal lattice is a scaled version of real lattice but lattice points are spaced proportional to 1/ d.,Ewald Sphere Construction in 2-D,For surface scattering, we are only concerned with periodicity in 2-D of surface, not into bulk. Can remove one dimension from recipro
7、cal lattice - points become “rods“,作晶面的倒格子平面，标出各倒格点，对每一倒格点作一直线垂直于倒格子平面，这些直线称为倒易棒。选定倒格子平面中某一倒格子为原点，(00)点，从原点作一矢量 k，其方向即为入射电子方向，其长度为电子波长的倒数(1/)。以 k 的原点O为中心，以 1/ 为半径的球就是厄瓦耳球。球面与倒易棒的交点Pmn满足衍射方程，实验上观测到LEED图亮斑就与Pmn各点对应。,多数实验采用正入射，球显示屏的衍射亮斑示意于图中。,由图可知： 显示屏上的亮斑在照相底片上的投影，其几何位置与二维晶面的倒格点直接对应，由此可定出正格点； 电子能量越大，波
8、长越短，反射球半径就愈大。,2. Surface Reciprocal Lattices,Lets define a real space plane lattice (surface net) by lattice vectors a1 and a2:,Reciprocal lattice (net) defined by reciprocal lattice vectors a1 and a2(surface) or b1 and b2 (adsorbate) defined by:,(1) FCC(100):,(2) FCC(110):,(3) FCC(111):,Diffraction
9、 pattern is just a scaled version of reciprocal lattice!,Diffraction Patterns of 5 Plane Lattices:,Lattice Plane Lattice Diffraction Pattern,图给出了LEED仪器的主要部分。,3、 LEED实验装置,在电子枪中金属氧化物灯丝（阴极）经加热而发射电子，发射出的电子受到一定的加速电压V的作用而射向阳极。一部分具有能量为V eV (通常为100eV) 的低能电子穿过阳极小孔，并经聚焦后垂直射向单晶样品表面，从样品表面背射出来的（弹性和非弹性）散射电子向荧光屏方向
10、前进，在栅极2上附加有负电压，以阻止非弹性散射电子通过。在栅极3上加有5千伏电压，以加速通过栅极2后的弹性散射电子，使其相当大的动能撞击荧光屏而发生出亮光。在半球形荧光屏上的衍射斑点可以用肉眼观察或用照相等技术记录下来。,样品接地。G1 栅接地, 使背散射电子从样品到G1之间处于等电位。 G2是阻档栅，用作高通滤波器抑阻非弹性散射电子，从而降低由二次电子形成的很强的本底。,在LEED实验中电子束直径约为1mm，电子束的相干宽度 (coherent width) 约为10 nm。 如果在相干宽度或更大的微区范围内，表面上原子是有序排列的，由在荧光屏上可观察到鲜明的衍斑点。如果表面上原子的有序排列
11、较差，或有序排列区域小于相干宽度，则衍射斑点图样将会弥散模糊，甚至得不到衍射图。,LEED在表面研究中主要被用来检查制备的表面是否是高度清洁和有序。 制备清洁金属表面方法是离子轰击加退火。离子轰击不仅使沾污物脱附，这种溅射过程还逐层剥离样品的原子，从而获得不同深度的新鲜表面，但表面的原子结构在离子轰击过程中受到损伤，成为无序结构。需要加热退火使原子有足够动能克服势垒而做扩散运动，从而达到能量最低（即有序的）结构。加热退火同样会促进体扩散，致使体内杂质更易向表面偏析，因此离子溅射的清洁处理与加热退火的有序化必须循环交替进行许多次。,4. 实验方法,当获得高度清洁和有序表面时，可观测到非常清晰的L
12、EED图。 然而，LEED图的出现不能作为试样表面完善性的最终判据，高达 0.1ML 的无序吸附，至多使衍射强度略为下降，而本底的增加还难以觉察。试样表面在成岛的情况下，只要衬底结构有序，仍可看到足够清晰的LEED图。 总之获得LEED图并不难，但应记住它是一种长程有序的效应，所以即使获得高质量的LEED图，不能过分乐观地认为晶面有十分完善的晶格对称性。,实验操作主要调节电子束参量和试样的位置。 电子束调节以能量为主，同时调节聚焦以及束流强度。开始时，能量可在70100 eV 范围内变动，束流也可强一些，荧光屏加速电压高一些，便于看到衍射斑。与此同时，移动试样并适当改变取向，寻找有序较高的畴以
13、及使电子束近似于正入射。 一但衍射斑隐约可凡，对上述参量轮番作细微调节，以增加衍射斑和背景的对比度。,实验操作,多数单晶表面形成的化学吸附，当吸附原子之间以斥力相互作用占优势时，吸附不会以岛的形式生长，样品具有适当温度时（既能越过表面势垒而作迁移动以进入能量最低状态，又不因振动而离开势阱），很容易形成吸附物的有序结构。 从LEED图的分数点可得出吸物原胞的大小，从而标定覆盖度 值。,用LEED研究吸附动力学,Adsorbate-Covered Surfaces,How does the presence of adsorbates influence the electron diffraction pattern?,Real Space,Reciprocal Space,Real Space,Reciprocal Space,
