6.3: Дифракція електронів високої енергії (RHEED)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17849

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Дифракція електронів низької енергії (LEED) використовує властиву поверхневу чутливість, пов'язану з електронами низької енергії, для вибірки структури поверхні. Зі збільшенням первинної енергії електронів не тільки зменшується специфічність поверхні, але й два інші ефекти особливо помітні.

Пряме розсіювання стає набагато важливішим (на відміну від зворотного розсіювання, що спостерігається в LEED)
кут розсіювання (вимірюється від напрямку падаючого променя) прагне до 180 градусів для зворотного розсіювання і 0 градусів для прямого розсіювання.

Отже, для того, щоб витягти поверхневу структурну інформацію з дифракції електронів високої енергії, техніка повинна бути адаптована, і найпростіший спосіб зробити це - використовувати геометрію відбиття, в якій електронний пучок падає під дуже кутом випадання - тоді він відомий як Відбиття Дифракція електронів високої енергії (RHEED).

Наведена вище діаграма показує базову настройку для експерименту RHEED, при цьому зразок розглядається на краю. На практиці екран дисплея, як правило, являє собою люмінофорне покриття на внутрішній стороні вакуумного вікна (оглядового вікна), і дифракційну картину можна переглядати та записати з атмосферної сторони вікна. Малі кути розсіювання, що беруть участь, компенсуються за допомогою відносно великих відстаней вибірки/екрана.

Зразок можна обертати навколо своєї нормальної осі так, щоб електронний промінь падав по конкретних кристалографічних напрямках на поверхні.

Щоб зрозуміти процес дифракції, нам потрібно розглянути, як електронний промінь може взаємодіяти з правильним масивом поверхневих атомів у цій експериментальній геометрії. Варто, однак, відзначити, що використання поглядової падіння гарантує, що, незважаючи на високу енергію електронів, складова імпульсу електронів, перпендикулярна поверхні, мала. За цих умов електрон може пройти значну відстань через тверде тіло (відповідно до набагато довшого середнього вільного шляху таких високоенергетичних електронів), не проникаючи далеко в тверде тіло. Техніка, отже, залишається поверхневою чутливою.

Тепер розглянемо вигляд у плані поверхні, проілюстрованої нижче, в якому ми концентруємо увагу лише на одному ряду атомів (показаних затіненими блідо-блакитним кольором), що йдуть у напрямку, перпендикулярному падаючому електронному пучку (падає зліва)

Крім зміни імпульсу електрона перпендикулярно поверхні, що призводить до видимого відображення, дифракційний процес може також призвести до зміни імпульсу паралельно поверхні, що призводить до відхилення на кут θ при погляді на план. Конструктивна інтерференція виникає, коли різниця шляху між сусідніми розсіяними «променями» (a sin θ) є інтегральним числом довжин хвиль (тобто такою ж базовою умовою, що і для LEED). Це породжує набір дифрагованих променів під різними кутами по обидва боки прямого наскрізного (дзеркально відбитого) променя.

Які переваги пропонує RHEED перед LEED?

У плані якості дифракційної картини абсолютно немає! - Крім того, дифракційні картини повинні спостерігатися принаймні для двох вирівнювань зразків по відношенню до падаючого пучка, щоб визначити поверхневу одиницю осередку. Однак...

Геометрія експерименту дозволяє набагато краще отримати доступ до зразка під час спостереження за дифракційною картиною. Це особливо важливо, якщо необхідно проводити спостереження за структурою поверхні під час росту поверхневої плівки шляхом випаровування з джерел, розташованих нормально до поверхні зразка або одночасно з іншими вимірами (наприклад, AES, XPS).
Експерименти показали, що можна контролювати атомний пошаровий ріст епітаксіальних плівок шляхом моніторингу коливань інтенсивності дифракційних пучків у малюнку RHEED.

Використовуючи RHEED, отже, можна вимірювати, а отже, і контролювати, темпи зростання атомного шару в молекулярній променевої епітаксії (MBE) структур електронних пристроїв - це далеко і далеко найважливіше застосування техніки.