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1、第二篇电子显微分析第二篇电子显微分析第十三章第十三章 低能电子衍射低能电子衍射 二维点阵二维点阵 低能电子衍射低能电子衍射LEED Low Energy Electron Diffraction低能电子衍射低能电子衍射是指以能量为是指以能量为10500eV的电的电子束照射晶体样品表面产生的衍射现象。给出样子束照射晶体样品表面产生的衍射现象。给出样品表面品表面15个原子层的结构信息，是研究晶体表个原子层的结构信息，是研究晶体表面结构的重要方法。面结构的重要方法。 13.1单晶表面原子排列与二维点阵单晶表面原子排列与二维点阵一一.表面状态表面状态n由于晶体结构的周期性在表面中断，单晶表面的由于晶体
2、结构的周期性在表面中断，单晶表面的原子排列有原子排列有3种可能的状态种可能的状态 n单晶表面原子排列的可能状态单晶表面原子排列的可能状态(a)体原子的暴露面体原子的暴露面(b) 维持原体内周期性对应位置，表面原子面暴露。维持原体内周期性对应位置，表面原子面暴露。 (b) 表面驰豫表面驰豫 表面原子平面排列周期性不变，层间距变化。表面原子平面排列周期性不变，层间距变化。(c) 表面重构表面重构 表面原子发生重新排列。表面原子发生重新排列。n表达其周期性的点阵基本单元称为表达其周期性的点阵基本单元称为(单元单元)网格。网格。n网格由表示其形状及大小的两个矢量网格由表示其形状及大小的两个矢量a与与b
3、描述，描述，称为称为(二维二维)点阵基矢或单元网格矢量。点阵基矢或单元网格矢量。n与三维点阵的排列规则可用与三维点阵的排列规则可用14种布拉菲点阵表达种布拉菲点阵表达相似，二维点阵的排列可用相似，二维点阵的排列可用5种二维布拉菲点阵种二维布拉菲点阵表达表达 正方、长方、菱形（面心长方）、六角、平行正方、长方、菱形（面心长方）、六角、平行 四边形。四边形。二二.单晶表面原子排列规则可用二维点阵描述单晶表面原子排列规则可用二维点阵描述三、二维点阵的倒易点阵三、二维点阵的倒易点阵1.定义：对于由点阵基矢定义：对于由点阵基矢a与与b定义的二维点阵，若由点定义的二维点阵，若由点阵基矢阵基矢a*与与b*定
4、义的二维点阵满足定义的二维点阵满足 a* a=b* b=1 a* b=b*a =0则称则称a*与与b*定义的点阵是定义的点阵是a与与b定义的点阵的倒易点阵。定义的点阵的倒易点阵。2.性质：性质： a* b, b * a a*1/asin, b *1/asin 为正为正点阵基矢量点阵基矢量a、b的夹角。的夹角。 二维布拉菲点阵与其倒易点阵 3.二维二维倒易点阵特点倒易点阵特点 二维二维倒易点阵矢量垂直于原子列（倒易点阵矢量垂直于原子列（hk) 二维二维倒易点阵矢量倒易点阵矢量ghk=1/dhk 二维二维倒易点代表一原子列倒易点代表一原子列 二维倒易点阵阵点延伸为倒易杆二维倒易点阵阵点延伸为倒易杆
5、 13.2 低能电子衍射仪低能电子衍射仪一.低能电子衍射仪低能电子衍射仪主要由主要由电子光学系统电子光学系统、记录系统记录系统、超高真空系统超高真空系统和和控控制电源组成制电源组成。 1-电子枪阴极 2-聚焦杯 3-样品 4-接收器说明：说明：p试样接地，阴极电位为试样接地，阴极电位为-VP(-10- -500V).p半球形荧光屏及四个半球形网状栅极（栅丝直径半球形荧光屏及四个半球形网状栅极（栅丝直径25m,栅丝间距栅丝间距0.25mm).G1极接地，与试样极接地，与试样间无电场，电子可自由运动。间无电场，电子可自由运动。G2G3为排斥极，接为排斥极，接等于等于-VP电位，使非弹性散射电子不能
6、穿过。电位，使非弹性散射电子不能穿过。G4接地对接收极屏蔽作用，减少接地对接收极屏蔽作用，减少G3与与接收极间的电接收极间的电容。半球荧光屏接接容。半球荧光屏接接5kv（07kv)，对穿过栅对穿过栅极的电子束起加速作用，增加电子的能量（亮度）。极的电子束起加速作用，增加电子的能量（亮度）。p阴极阴极-VP低能电子枪发射电子，经三级加速聚焦低能电子枪发射电子，经三级加速聚焦杯聚焦，打在试样上，发射电子干涉波，在荧光杯聚焦，打在试样上，发射电子干涉波，在荧光屏上的电子斑点排列表征表面原子二维排列规律。屏上的电子斑点排列表征表面原子二维排列规律。斑点间距反映原子间距。斑点间距反映原子间距。n低能电子
7、衍射装置必须采用无油的超高真空系统，低能电子衍射装置必须采用无油的超高真空系统，真空度要优于真空度要优于1.3310-7Pa，以避免晶体表面吸收以避免晶体表面吸收残余气体分子造成表面污染，使固有表面衍射图残余气体分子造成表面污染，使固有表面衍射图发生变化。发生变化。n此外在低能电子衍射装置中都装备有原位清洗表此外在低能电子衍射装置中都装备有原位清洗表面或制备清洁表面的辅助装置，可实现原位的溅面或制备清洁表面的辅助装置，可实现原位的溅射剥蚀、在超高真空中沉积新鲜表面等。射剥蚀、在超高真空中沉积新鲜表面等。二二.LEED的应用的应用p荧光屏衍射斑点的排列反映了试样表面原子的二荧光屏衍射斑点的排列反
8、映了试样表面原子的二维排列，由斑点间距、电子波长可知原子间距。维排列，由斑点间距、电子波长可知原子间距。p不断改变入射电子的能量（波长），荧光屏上某不断改变入射电子的能量（波长），荧光屏上某斑点的强度随入射电子能量的变化曲线斑点的强度随入射电子能量的变化曲线-”强度强度特性特性“、”亮度特性亮度特性“、IV或或IE曲线反映二、曲线反映二、三层原子二维排列、层间距离、层间原子相对位三层原子二维排列、层间距离、层间原子相对位置、吸收原子和基体原子间相对位置信息。置、吸收原子和基体原子间相对位置信息。 13.3 低能电子衍射原理低能电子衍射原理一一.低能电子衍射原理低能电子衍射原理1.二维电子衍射方
9、向二维电子衍射方向n低能电子衍射线来自于样品表面低能电子衍射线来自于样品表面(几个原子层几个原子层)的相干散射。衍射方向的相干散射。衍射方向(衍射必要条件衍射必要条件)可近可近似由二维劳埃方程描述似由二维劳埃方程描述 n将二维点阵视为三维点阵特例，二维点阵衍将二维点阵视为三维点阵特例，二维点阵衍射方向亦可由衍射矢量方程描述，可写为射方向亦可由衍射矢量方程描述，可写为 （S-S0）/ =r*HK=Ha*+Kb*(+0c*)二二.二维点阵与二维点阵与LEED衍射图像关系衍射图像关系 1.LEED衍射图像为二维倒易点阵在荧光屏上的投影衍射图像为二维倒易点阵在荧光屏上的投影 放大像。放大像。 试样位于
10、试样位于O点，以点，以O为圆心、为圆心、1/为半径作爱氏球，为半径作爱氏球，与入射线相交于与入射线相交于O*,过过O*作与试样表面平行的二维倒作与试样表面平行的二维倒易点阵，过二维阵点作垂线垂直于二维点阵面，垂线能易点阵，过二维阵点作垂线垂直于二维点阵面，垂线能与爱氏球相交的倒易点所代表的点阵列满足衍射条件。与爱氏球相交的倒易点所代表的点阵列满足衍射条件。衍射方向为衍射方向为O至交点方向。至交点方向。 在爱氏球后方的半球荧光屏上的斑点，实为垂线与在爱氏球后方的半球荧光屏上的斑点，实为垂线与爱氏球交点的延伸放大，所以，爱氏球交点的延伸放大，所以，LEED图像为二维点阵图像为二维点阵在荧光屏上的垂
11、直投影。在荧光屏上的垂直投影。 g=1/dhk= (1/）sin 2.LEED图像与表面二维点阵关系图像与表面二维点阵关系 g=1/dhk= (1/）sin dh0=r sin （r荧光屏的半径）荧光屏的半径） =r a*/ (1/） =r a* 同理：同理：d0k= r b* 说明：荧光屏（投影面）上斑点图像为二维倒说明：荧光屏（投影面）上斑点图像为二维倒易点阵的放大像，放大倍数为易点阵的放大像，放大倍数为r 。测出的斑点测出的斑点间距除以间距除以r ，得到二维倒易点阵得到二维倒易点阵a*、 b*，由由此可求出此可求出a、b及表面点阵排列。及表面点阵排列。成像原理与衍射花样特征成像原理与衍射
12、花样特征 低能电子衍射的厄瓦尔德图解低能电子衍射的厄瓦尔德图解(a)电子束正入射电子束正入射 (b)电子束斜入射电子束斜入射n低能电子衍射以半球形荧光屏低能电子衍射以半球形荧光屏(接收极接收极)接收信息。接收信息。n荧光屏上显示的衍射花样由若干衍射斑点荧光屏上显示的衍射花样由若干衍射斑点(衍射衍射线与荧光屏的交点线与荧光屏的交点)组成；组成；n每一个斑点对应于样品表面一个晶列的衍射，亦每一个斑点对应于样品表面一个晶列的衍射，亦即相应于一个倒易点，因而低能电子衍射花样是即相应于一个倒易点，因而低能电子衍射花样是样品表面二维倒易点阵的投影像。样品表面二维倒易点阵的投影像。n荧光屏上与倒易原点对应的
13、衍射斑点荧光屏上与倒易原点对应的衍射斑点(00)处于入处于入射线的镜面反射方向上。射线的镜面反射方向上。3。低能电子衍射的花样特征。低能电子衍射的花样特征 13.4 低能电子衍射分析与应用低能电子衍射分析与应用一、低能电子衍射图样的基本分析过程：一、低能电子衍射图样的基本分析过程： 由样品衍射花样确定由样品衍射花样确定a*与与b*的方向，并的方向，并按有关公式求得按有关公式求得a*与与b*，从而确定样品表从而确定样品表面二维倒易点阵单元网格，进而按倒易基矢面二维倒易点阵单元网格，进而按倒易基矢与正点阵基矢的对应关系确定样品表面点阵与正点阵基矢的对应关系确定样品表面点阵单元网格的形状与大小。单元
14、网格的形状与大小。 二、应用二、应用分析与研究晶体表面结构：分析与研究晶体表面结构：晶体表面及吸附层二维点阵单元网格的形状与大小；晶体表面及吸附层二维点阵单元网格的形状与大小；表面原子位置表面原子位置(单元网格内原子位置、吸附原子相对于基底原单元网格内原子位置、吸附原子相对于基底原子位置等子位置等)及沿表面深度方向及沿表面深度方向(两三个原子层两三个原子层)原子三维排列情原子三维排列情况况(层间距、层间原子相对位置、吸附是否导致表面重构等层间距、层间原子相对位置、吸附是否导致表面重构等)；分析表面结构缺陷分析表面结构缺陷(点缺陷、台阶表面、镶嵌结构、应变结构、点缺陷、台阶表面、镶嵌结构、应变结构、规则和不规则的畴界和反畴界规则和不规则的畴界和反畴界)等。等。不仅应用于半导体、金属及合金等材料表面结构与缺陷的分不仅应用于半导体、金属及合金等材料表面结构与缺陷的分析及吸附、偏析和重构相的分析，也应用于气体吸附、脱附析及吸附、偏析和重构相的分析，也应用于气体吸附、脱附及化学反应、外延生长、沉积、催化等过程的研究；及化学反应、外延生长、沉积、催化等过程的研究；也可应用于表面动力学过程，如生长动力学和热振动的研究也可应用于表面动力学过程，如生长动力学和热振动的研究等。等。
