Дифракция медленных электронов (ДМЭ)

Упругое рассеивание медленных электронов от хорошо упорядоченных поверхностей приводит к появлению дифракционных пятен. В 1923 году Де Бройлем был постулирован факт, что электроны имеют длину волны, данную в ангстремах следующим уравнением:

(2)

где h - постоянный Планк, m_e - масса электрона, v скорость, и E_kin - кинетическая энергия электрона в эВ.

Дэвиссон и Джермер в 1927 году показали, что дифракция электронов с низкой энергией в диапазоне энергий от 40 до 500 эВ, где диапазон их длин волн лежит между 0.5 и 2 A, может быть использована для определения структуры монокристаллических поверхностей, по аналогии с рентгеновской дифракцией. Благодаря малой длине свободного пробега (обычно меньше 10 A) электроны в этом энергетическом диапазоне воздействуют только на верхние атомные слои поверхности и, поэтому, лучше подходят для анализа геометрии поверхности, чем рентгеновские фотоны, длина свободного пробега которых составляет обычно несколько микронов. Структура тонкого приповерхностного слоя может не совпадать со структурой остальной части кристалла. Между тем поверхность кристалла играет важную роль в таких процессах, как электронная и ионная эмиссия, адсорбция и катализ, зарождение новой фазы и диффузия (при эпитаксии), окисление.

В отличие от дифракции фотонов, в данном случае важную роль играет многократное рассеивание в процессе дифракции электронов в твердых поверхностях. Поэтому, анализ ДМЭ данных в отношении точных положений атомов на поверхности намного более сложен.

Рис. 2. Схема прибора для ДМЭ

Стандартная современная оптика для ДМЭ имеет тип "обратного обзора" (рис. 2). Бомбардирующий электронный пучок, ускоренный потенциалом V₀, эмитируется электронным источником, расположенным за полусферическим флуоресцентным стеклянным экраном и попадает на образец через отверстие в экране. Поверхность располагается в центре полсферы таким образом, чтобы все дифрагированные обратно электроны летели к экрану по радиальным траекториям. Прежде, чем электроны попадают на экран, они должны пролететь энергетический анализатор с тормозящим полем, который обычно состоит из четырех или трех полусферических сеток, соосных с экраном. Первая сетка (самая близкая к образцу) заземлена, как и образец, что обеспечивает существование возле образца области практически без поля. Это минимизирует нежелательное электростатическое отклонение дифрагированных электронов. Необходимый отрицательный потенциал (V₀ - DV) прикладывается к средним сеткам, что позволяет получить узкий диапазон энергии eDV упруго рассеянных электронов на флуоресцентном экране. Последняя сетка обычно заземляется, чтобы уменьшить проникновение поля центральных сеток которое имеет порядка нескольких киловольт, чтобы сделать видимыми дифракционные пятна. Поскольку флуоресцентный экран прозрачен, пятна могут быть соблюдены через смотровое окно позади экрана, не будучи затененными держателем образца. Обычно диаметр всей системы составляет ~140 мм, так что легко встраивается на фланец установки диаметром 150 мм. Исследование проводится в вакууме 10^–10 – 10^–12 мм рт. ст. Поскольку электроны не проникают в объем кристалла на расстояние достаточное для исследования его трехмерной структуры, дифракционная модель определяется двухмерной поверхностной периодичностью, которая описывается векторами решетки a₁ и a₂, параллельными плоскости поверхности. Существуют 5 основных типов поверхностных структур: квадратная, гексагональная, прямоугольная, центрированная прямоугольная, косоугольная кристаллические решётки.

Рис. 3. Основные типы поверхностных структур: квадратная, гексагональная, прямоугольная, центрированная прямоугольная, косоугольная.

ДМЭ позволяет получить данные о периоде кристаллической решетки. Поскольку используются очень медленные электроны, которые не проникают глубоко в твердое тело, полученная информация относится главным образом к одному или двум верхним слоям поверхностных атомов. ДМЭ используется: а) при очистке поверхности для качественного наблюдения за устранением остаточных слоев чужеродных атомов (критерием служит появление достаточно четкой структуры, связанной с кристаллической решеткой основного материала); б) для получения данных о реконструкции поверхности; в) для получения информации о порядке величины расстояний между адсорбированными частицами; г) для получения информации о регулярных ступеньках на поверхности (например, вследствие разрезания образца).

Было показано, что ДМЭ можно также использовать для определения амплитуды колебаний поверхностных атомов чистого кристалла по размытию дифракционных пятен. Качественная интерпретация дифракционной картины достаточно проста. Однако полное описание процессов дифракции представляет собой чрезвычайно сложную проблему, которая требует рассмотрения взаимодействия поля падающей волны со всей дифракционной решеткой.

Преимущество ДМЭ состоит в том, что этот метод является безконтактным, что позволяет использовать его для анализа поверхностей “in situ” во время адсорбции, эпитаксии, или сублимации, изучать динамические процессы реструктурирования. Однако анализ данных в ДМЭ основан на предшествующих предположениях и модельных распределениях и, поэтому, он не является прямым, т.е. не может использоваться для управления процессами.

Анализ моделей ДМЭ или профилей пятен не дает никакой количественной информации о положении атомов в пределах поверхностной элементарной ячейки. Этот вид информации скрыт в зависимости энергии от интенсивности пятна.

При упрощенном рассмотрении изменения интенсивности пятен вызваны интерференцией электронов, рассеянных от различных атомных слоев, параллельных поверхности. Поскольку глубина проникновения очень мала, обратнорассеянные электроны взаимодействуют с несколькими слоями атомов, что приводит в режимах промежуточных энергий к уширению максимумов и интенсивностям, отличным от нуля. Из-за влияния атомных потенциалов рассеивания и многократного рассеивания в кривых I-V наблюдаются изменения пиков Брэгга и других пиков. Все эти эффекты включены в современные ДМЭ компьютерные программы, которые полностью выполняют динамические квантово-механические расчеты рассеяния.

Поскольку при низких энергиях многократное рассеяние доминирует над электронным процессом дифракции, не существует простого способа определить тип поверхностной структуры непосредственно, как, например, в рентгеновской кристаллографии. Вместо этого, необходимо рассчитать I-V кривые для большого количества типовых конфигураций и сравнить их с экспериментальными кривыми.

Стандартная экспериментальная установка использует видеокамеру, записывающую изображение флуоресцентного экрана для каждого значения энергии. При использовании обычной видеокамеры скорость сбора изображений устанавливается 50 - 60 Гц. В этом случае несколько изображений (обычно от 8 до 256) должны быть усреднены, чтобы получить удовлетворяющее отношение сигнала к шуму, особенно для слабых пятен сверхрешеток. Более новые системы часто используют медленно сканирующие ПЗС камеры (приборы с зарядовой связью), которые могут выполнять усреднение непосредственно на охлажденном чипе ПЗС (время воздействия при этом увеличиваются до нескольких секунд) и поэтому позволяют избежать шума, обусловленного многократным считыванием. Изображения также сохраняются на жестком диске для последующего анализа. Или интенсивности пятен извлекаются, что называется online, специальными программами. Коммерчески доступное программное обеспечение также обеспечивает контроль энергии электронов и записывает ток электронного луча, который необходим для нормализации интенсивностей пятен.

Большинство компьютерных программ, в настоящее время используемых для вычисления I-V кривых ДМЭбазируется на алгоритмах многократного рассеивания. Самый общий способ вычисления ДМЭ I-V кривых заключается в том, чтобы разделить кристалл на атомные слои, параллельные поверхности. Все возможные пути многократного рассеивания в каждом слое объединяются в матрицу дифракции этого слоя. Затем рассчитывается общая обратно дифрагированная интенсивность для каждого пятна ДМЭ путем комбинирования этих матриц в единый путь, который включает все возможные пути многократного рассеяния между слоями. Время, необходимое для вычисления кривых I-V для одной геометрии модели зависит от числа атомов в поверхностной элементарной ячейке и от числа пятен в пределах образца ДМЭ. Зависимости носят кубический характер, поэтому время изменяется от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от сложности поверхностной геометрии. Уменьшить время можно, используя вращательную или зеркальную симметрию при построении моделей.

Анализ I-V кривых структуры ДМЭ - в настоящее время самый точный и надежный способ определить атомные положения на поверхностях. То, что ДМЭ чувствительна к положению атомов не только в верхнем слое, но и в нескольких нижних слоях, делает ее особенно хорошим инструментом для исследования спонтанных или обусловленных адсорбатом реконструкций поверхности. Недостатком метода является то, что исследуемые поверхности должны быть упорядоченными и проводящими, иначе их зарядка может исказить результаты измерений. Компьютерное время и число рассчитываемых конфигураций – это факторы, ограничивающие сложность исследуемых поверхностных структур с вычислительной точки зрения; плотность пятен ДМЭ на флуоресцентном экране - ограничивающий экспериментальный фактор.