反射高能电子衍射.pdf

反射高能电子衍反射高能电子衍射射 Reflection high energy electron diffraction 反射高能电子衍射是反射高能电子衍射是高能电子高能电子 衍射的一种工作模式衍射的一种工作模式 它将能量为 它将能量为 10 50keV的单能电子的单能电子掠射掠射 1 3 到晶体表面 在向前散射方向收集电到晶体表面 在向前散射方向收集电 子束 或将衍射束显示子束 或将衍射束显示于于荧光屏荧光屏 简介 一幅反射高能衍射图只能给出一幅反射高能衍射图只能给出 倒易空间 见倒易点阵 某个二维截 面 从从衍射衍射点之间的距离可确定相应点之间的距离可确定相应 的晶面间距 旋转样品 可以在荧光的晶面间距 旋转样品 可以在荧光 屏上得到不同方屏上得到不同方位角的二维倒易截位角的二维倒易截 面 从而仍可获得表面结构的全部对面 从而仍可获得表面结构的全部对 称信息 称信息 由于在晶体中电子散射截面远大由于在晶体中电子散射截面远大 于于 X 射线的散射截面 加之掠射角射线的散射截面 加之掠射角 小 从而使反射高能衍射与小 从而使反射高能衍射与低能电子低能电子 衍射衍射一样具有表面灵敏度 约一样具有表面灵敏度 约 10 40 但它但它不仅限于作单晶不仅限于作单晶表面结构表面结构 分析分析 也可用于多晶 也可用于多晶 孪晶孪晶 无定形 无定形 表面及微粒样品的表面结构分析 表面及微粒样品的表面结构分析 反射高能电子衍射得到广泛运用反射高能电子衍射得到广泛运用 是与是与分子分子束外延技术发展有关 它可束外延技术发展有关 它可 用于原位观察外延膜生长情况 为改用于原位观察外延膜生长情况 为改 进生长条件提供依据 与低能进生长条件提供依据 与低能电子电子的的 情况有所不同 情况有所不同 高能电子束与高能电子束与晶体晶体相相 互作用中非弹性散射较弱 其强度分互作用中非弹性散射较弱 其强度分 析的理论还处于析的理论还处于探索探索之中之中 装置 最简单的电子衍射装置 从阴极最简单的电子衍射装置 从阴极 K 发发 出的电子被加速后经过阳极出的电子被加速后经过阳极 A 的光的光 阑孔和透镜阑孔和透镜 L 到达到达试样试样 S 上 被试样上 被试样 衍射后在荧光屏或照相底板衍射后在荧光屏或照相底板 P 上形上形 成电子衍射图样 由成电子衍射图样 由于物质 包括空于物质 包括空 气 对电子的吸收很强 故上述各部气 对电子的吸收很强 故上述各部 分均置于真空中 分均置于真空中 电子电子的的加速电压加速电压一一 般为数万伏至十万伏左右 称高能电般为数万伏至十万伏左右 称高能电 子衍射子衍射 为了研究表面结构 为了研究表面结构 电电子子加加 速电压速电压也可低达数千甚至数十伏 也可低达数千甚至数十伏 这这 种装置称低能电子衍射装置种装置称低能电子衍射装置 模式 电子衍射电子衍射可用于研究厚度小于可用于研究厚度小于 0 2 微米的薄膜结构 或大块试样的微米的薄膜结构 或大块试样的 表面结构表面结构 前一种情况称 前一种情况称透射电子衍透射电子衍 射射 后一种称后一种称反射电子衍射反射电子衍射 作反射电 作反射电 子衍射时 电子束与试样表面的夹角子衍射时 电子束与试样表面的夹角 很小 很小 一般在一般在 1 2 以内 以内 称 称掠射掠射 角 角 自从自从 60 年代以来 商品透射电子年代以来 商品透射电子 显微镜都具有电子衍射功能 见电子显微镜都具有电子衍射功能 见电子 显微镜 而且可以显微镜 而且可以利用利用试样后面的试样后面的 透镜透镜 选择小至选择小至 1 微米的区域进行衍微米的区域进行衍 射观察 称为射观察 称为选区电子衍射选区电子衍射 而 而在试在试 样之后不用任何透镜的情形称高分样之后不用任何透镜的情形称高分 辨电子衍射辨电子衍射 带有扫描装置的透射电 带有扫描装置的透射电 子显微镜可以选择子显微镜可以选择小至数千埃甚至小至数千埃甚至 数百埃的区域数百埃的区域作电子衍射观察 称作电子衍射观察 称微微 区衍射区衍射 入射电子束一 入射电子束一般聚焦在照相般聚焦在照相 底板上 但也可以聚焦在试样上 此底板上 但也可以聚焦在试样上 此 时称会聚束电子衍射时称会聚束电子衍射 理论 电子衍射和电子衍射和 X 射线衍射一样 也射线衍射一样 也 遵循遵循布喇格公式布喇格公式 2dsin 见 见 X 射射 线衍射 当入射电子束与晶面簇的线衍射 当入射电子束与晶面簇的 夹角夹角 晶面间距和电子束波长 晶面间距和电子束波长 三三 者之间满足者之间满足布喇格公式时 则沿此晶布喇格公式时 则沿此晶 面簇对入射束的反射方向有衍射束面簇对入射束的反射方向有衍射束 产生 电子衍射虽电子衍射与产生 电子衍射虽电子衍射与 X 射线射线 衍射有相同的几何原理 但它们的衍射有相同的几何原理 但它们的物物 理内容不同理内容不同 在与晶体相互作用时在与晶体相互作用时 X 射线受到晶体中电子云的散射射线受到晶体中电子云的散射 而 而 电子受电子受到到原子核原子核及其外层电子所形及其外层电子所形 成势场的散射成势场的散射 除以上用布喇格公式 除以上用布喇格公式 或或用用倒易点阵倒易点阵和反射球来描述产生和反射球来描述产生 电子衍射的衍射几何原理外电子衍射的衍射几何原理外 严格的严格的 电子衍射理论从薛定谔方程电子衍射理论从薛定谔方程 H E 出发出发 式中式中 为电子波函数 为电子波函数 E 表示表示 电子的总能量 电子的总能量 H 为哈密顿算子 它为哈密顿算子 它 包括电子从外电场得到的动能和在包括电子从外电场得到的动能和在 晶体静电场中的势能 若解此方程时 晶体静电场中的势能 若解此方程时 考虑到其势能远小于动能 认为衍射考虑到其势能远小于动能 认为衍射 束远弱于入射束 忽略掉方程中的二束远弱于入射束 忽略掉方程中的二 级小量 则所得的解称级小量 则所得的解称运动学解运动学解 此 此 解与上述衍射几何原理相一致 建立解与上述衍射几何原理相一致 建立 在在薛定谔方程薛定谔方程运动学解基础上的运动学解基础上的电电 子衍射理论称电子衍子衍射理论称电子衍射射运动学运动学理论 理论 此理论的物理内容是忽略了衍射波此理论的物理内容是忽略了衍射波 与入射波之间以及衍射波彼此之间与入射波之间以及衍射波彼此之间 的相互作用 若在解方程时作较高级的相互作用 若在解方程时作较高级 的近似 例如认的近似 例如认为为衍射衍射束中除一束束中除一束 或二束 或三束 或二束 或三束 或 或 n 1 束 束 外均远弱于入射束外均远弱于入射束 则所得的解称双则所得的解称双 光束光束 或三光束 或四光束或三光束 或四光束 或 或 n 光束 动力学解 建立在动力学解光束 动力学解 建立在动力学解 基础上的电子衍射理论称电子衍射基础上的电子衍射理论称电子衍射 动力学理论动力学理论 衍射图 也可以和也可以和 X 射线衍射情况一样射线衍射情况一样 用倒易点阵和反射球来描述产生电用倒易点阵和反射球来描述产生电 子衍射的条件 只是子衍射的条件 只是电子的波长远短电子的波长远短 于于 X 射线射线 所以反射球的曲率很小 所以反射球的曲率很小 按照按照索末菲公式 电子散射强度随散索末菲公式 电子散射强度随散 射角的增大而迅速下降射角的增大而迅速下降 于是 于是 有效反有效反 射球面的面积不射球面的面积不 电子衍射大 可电子衍射大 可 以把反射球面近似地看作通过倒易以把反射球面近似地看作通过倒易 点阵原点且垂直于入射电子束的平点阵原点且垂直于入射电子束的平 面 电子衍射图便是从反射球球心出面 电子衍射图便是从反射球球心出 发时 通过倒易点阵原点且垂直于入发时 通过倒易点阵原点且垂直于入 射电子束的倒易点阵平面在照相底射电子束的倒易点阵平面在照相底 板上的投影 板上的投影 一般 单晶体的电子衍一般 单晶体的电子衍 射图呈规则射图呈规则分布的斑点分布的斑点 多晶的电子多晶的电子 衍射图呈一系列同心圆衍射图呈一系列同心圆 非晶态物质非晶态物质 的电子衍射图呈一系列弥散的同心的电子衍射图呈一系列弥散的同心 圆圆 单晶体的会聚束电子衍射图则呈单晶体的会聚束电子衍射图则呈 规则分布的衍射圆盘规则分布的衍射圆盘 当晶体较厚且甚完整时 可以得当晶体较厚且甚完整时 可以得 到一种由非弹性散射效应而形成的到一种由非弹性散射效应而形成的 衍射图衍射图 因为在散射过程中部分透过 因为在散射过程中部分透过 上层晶体的电子保持其波长不变 但上层晶体的电子保持其波长不变 但 略改变了方向 对于下层晶体而言 略改变了方向 对于下层晶体而言 入射电子便分布在以原入射电子束入射电子便分布在以原入射电子束 为轴的圆锥内 这时的电子衍射图由为轴的圆锥内 这时的电子衍射图由 许多对相互平行的黑 白线所组成 许多对相互平行的黑 白线所组成 这种衍射图称菊池衍射图 可以用来这种衍射图称菊池衍射图 可以用来 精确测定晶体的取向 精确测定晶体的取向 应用 电子衍射和电子衍射和 X 射线衍射一样 射线衍射一样 可以用来作可以用来作物相鉴定物相鉴定 测定晶体取向测定晶体取向 和和原子位原子位置置 由于 由于电子衍射强度远强电子衍射强度远强 于于 X 射线射线 电子又极易为物体所吸收电子又极易为物体所吸收 因而因而电子衍射适合于研究薄膜 大块电子衍射适合于研究薄膜 大块 物体的表面以及小颗粒的单晶物体的表面以及小颗粒的单晶 此外 此外 在研究由原子序数相差悬殊的原子在研究由原子序数相差悬殊的原子 构成的晶体时 电子衍射较构成的晶体时 电子衍射较 X 射线衍射线衍 射更优越些 会聚束电子衍射的特点射更优越些 会聚束电子衍射的特点 是可以用来测定晶体的空间群 见晶是可以用来测定晶体的空间群 见晶 体的对称性 体的对称性 采用波长小于或接近于其点阵常采用波长小于或接近于其点阵常 数的电子束照射晶体样品 由于入射数的电子束照射晶体样品 由于入射 电子与晶体内周期地规则排列的原电子与晶体内周期地规则排列的原 子的交互作用 晶体将作为二维或三子的交互作用 晶体将作为二维或三 维光栅产生衍射效应 根据由此获得维光栅产生衍射效应 根据由此获得 的衍射花样研究晶体结构的技术 称的衍射花样研究晶体结构的技术 称 为为电子衍射电子衍射 这是 这是 1927 年分别由戴年分别由戴 维孙维孙 C T Davison 和革末和革末 L H Germer 以及汤姆孙以及汤姆孙 G P Thomson 独立完成的著名实独立完成的著名实 验 和验 和 X 射线衍射一样 电子衍射也射线衍射一样 电子衍射也 遵循劳厄遵循劳厄 M vonLaue 方程或布喇格方程或布喇格 W L Bragg 方程 由于电子与物质方程 由于电子与物质 的交互的交互电子衍射作用远比电子衍射作用远比 X 射线与射线与 物质的交互作用强烈 因而在金属和物质的交互作用强烈 因而在金属和 合金的微观分析中特别适用于对含合金的微观分析中特别适用于对含 少量原子的样品 如薄膜 微粒 表少量原子的样品 如薄膜 微粒 表 面等进行结构分析 面等进行结构分析 三维晶体点阵的电子衍射能量高三维晶体点阵的电子衍射能量高 于于 100keV 波长小于 波长小于 0 037 的电的电 子束子束在物质中的穿透能力约在物质中的穿透能力约 0 1 m 相当于几百个原子层相当于几百个原子层 如果以这样的 如果以这样的 高能电子束作为入射源 则高能电子束作为入射源 则可以从薄可以从薄 膜或微粒的样品中获得表征三维晶膜或微粒的样品中获得表征三维晶 体点阵的电子衍射花样 体点阵的电子衍射花样 在电子显微在电子显微 镜中 镜中 根据入射电子束的几何性质不根据入射电子束的几何性质不 同 相应地有两类衍射技术同 相应地有两类衍射技术 一类是一类是 选区电子衍射选区电子衍射 selectedareadiffraction 或或微衍射微衍射 microdiffraction 它以平行的电子它以平行的电子 束作为入射源束作为入射源 另一类是 另一类是会聚束电子会聚束电子 衍射衍射 convergentbeamdiffraction 它以具有一定会聚角 一般在它以具有一定会聚角 一般在 4 以以 内 的电子束作为入射源内 的电子束作为入射源 目前这两 目前这两 类技术都有很大发展 并具有各自不类技术都有很大发展 并具有各自不 同的专门用途 同的专门用途 选区电子衍射 选区电子衍射 SAD 在图在图 1 所所 示的电子衍射仪中示的电子衍射仪中 通过聚光透镜系 通过聚光透镜系 统把波长为统把波长为 的细小平行电子束照射的细小平行电子束照射 到样品上 如果点阵平面间距为到样品上 如果点阵平面间距为 d 的的 hkl 面满足衍射条件 即面满足衍射条件 即 2dsin 1 式中式中 为布喇格角为布喇格角 则在与透射束成则在与透射束成 2 角的方向上得到角的方向上得到 衍射束 并与距样品衍射束 并与距样品 L 处的荧光屏或处的荧光屏或 照相底版相交照相底版相交 给出由衍射斑点或衍给出由衍射斑点或衍 射环组成的花样 由于射环组成的花样 由于 d 使衍射角使衍射角 2 很小很小 从式从式 1 和图和图 1可以可以 得到如下简单关系得到如下简单关系 Rd L 2 其中其中 L 为电子衍射相为电子衍射相 机长度 而机长度 而 L 为相机常数 由此可为相机常数 由此可 见 单晶花样中的衍射斑点或多晶花见 单晶花样中的衍射斑点或多晶花 样中的衍射环与中心斑点之间的距样中的衍射环与中心斑点之间的距 离离 R 简单地正比于 或倒易矢量简单地正比于 或倒易矢量 g 的的 长度 同时 由于长度 同时 由于 角极小 通常角极小 通常 只有近似平行于入射电子束方向的只有近似平行于入射电子束方向的 点阵平面组才可能满足衍射条件 所点阵平面组才可能满足衍射条件 所 以 对于单晶样品以 对于单晶样品 一般情况下花样仅一般情况下花样仅 是某一晶带是某一晶带 其其晶带轴晶带轴接近平行于电接近平行于电 子束入射方向子束入射方向 所属晶面所产生的所属晶面所产生的 它它 简单地就是相应倒易点阵平面内阵简单地就是相应倒易点阵平面内阵 点排列图形的点排列图形的 放大放大 像 与样品晶体像 与样品晶体 的取向之间存在着明显的直观联系 的取向之间存在着明显的直观联系 在透射电子显微镜中 根据阿贝在透射电子显微镜中 根据阿贝 Abbe 衍射成像原理 见电子显微衍射成像原理 见电子显微 学 其物镜的背焦平面上存在着一学 其物镜的背焦平面上存在着一 幅相机长度等于物镜焦距幅相机长度等于物镜焦距 f0 的衍射的衍射 花样 然后它被中间镜和投影镜放大花样 然后它被中间镜和投影镜放大 后投射到荧光屏或照相底版上 此时 后投射到荧光屏或照相底版上 此时 有效相机长度有效相机长度 L 可以表达为 可以表达为 L f0MiMp 3 式中式中 Mi Mp 分别是分别是 中间镜和投影镜的放大倍数 中间镜和投影镜的放大倍数 为了研究样品上一个小区域的晶为了研究样品上一个小区域的晶 体结构或取向 我们可以在物镜像平体结构或取向 我们可以在物镜像平 面上放置一个视场光阑 此时投射到面上放置一个视场光阑 此时投射到 光阑孔光阑孔 电子衍射外面的成像电子束电子衍射外面的成像电子束 将被挡住 不能进入中间镜 这就相将被挡住 不能进入中间镜 这就相 当于在样品上选择了分析的范围 利当于在样品上选择了分析的范围 利 用这种方法 可以获得用这种方法 可以获得 1 m 或更小或更小 一些选区的衍射花样 图一些选区的衍射花样 图 2 是从是从 00Cr18Ni5Mo3Si2 双相不锈钢金属双相不锈钢金属 薄膜样品中得到的选区电子衍射花薄膜样品中得到的选区电子衍射花 样和相应的明 暗场象 样和相应的明 暗场象 由于物镜球差及其聚焦误差等原由于物镜球差及其聚焦误差等原 因 目前很难精确地从小于因 目前很难精确地从小于 0 5 m 的的 区域中得到衍射 随着扫描透射电子区域中得到衍射 随着扫描透射电子 显微术显微术 STEM 的发展 采用强烈聚的发展 采用强烈聚 焦的细小电子束照射样品上极其有焦的细小电子束照射样品上极其有 限的区域 与视场光阑的方法相比 限的区域 与视场光阑的方法相比 不但选区尺寸小不但选区尺寸小 而且精度高 这就是而且精度高 这就是 所谓微衍射所谓微衍射 选区小于选区小于 100nm 和微和微 微衍射微衍射 选区小于选区小于 10nm 也有人把 也有人把 它们分别叫做它们分别叫做 衍射和衍射和 衍射 此衍射 此 外外 在在透射电子显微镜中 还可以进行透射电子显微镜中 还可以进行 高分辨率衍射高分辨率衍射 highresolutiondiffraction 和和高分高分 散性衍射散性衍射 highdispersivediffraction 即小角即小角 衍射衍射 等 等 在材料科学领域内在材料科学领域内 选区电子衍射选区电子衍射 技术主要用于技术主要用于 物相鉴定 物相鉴定 取向关取向关 系测定 系测定 脱溶时的沉淀相惯析面以脱溶时的沉淀相惯析面以 及滑移面等的测定 及滑移面等的测定 晶体缺陷分析 晶体缺陷分析 有序无序转变 有序无序转变 spinodal 分解 磁分解 磁 畴的研究等 畴的研究等 会聚束电子衍射会聚束电子衍射 CBD 如果利用透如果利用透 射电子显微镜的聚光系统产生一个射电子显微镜的聚光系统产生一个 束斑很小的会聚电子束照射样品 形束斑很小的会聚电子束照射样品 形 成发散的透射束和衍射束 图成发散的透射束和衍射束 图 3 此时 由于存在一定范围以内的入射此时 由于存在一定范围以内的入射 方向 通常的衍射方向 通常的衍射 斑点斑点 扩展成为衍扩展成为衍 射射 圆盘圆盘 典型的花样如图 典型的花样如图 4 所示 所示 除了被分析的区域小 除了被分析的区域小 100nm 以下 以下 以外以外 会聚束电子衍射的主要优点在会聚束电子衍射的主要优点在 于通过圆盘内晶带轴花样及其于通过圆盘内晶带轴花样及其精细精细 结构的分析 可以提供关于晶体对称结构的分析 可以提供关于晶体对称 性 点阵电势 色散面几何等大量结性 点阵电势 色散面几何等大量结 构信息 构信息 在材料科学中在材料科学中 会聚束衍射技术主会聚束衍射技术主 要用于要用于 确定晶体结构对称性 包括确定晶体结构对称性 包括 对称中心 滑移面 螺旋轴等的存在 对称中心 滑移面 螺旋轴等的存在 鉴定晶体的点群和空间群 鉴定晶体的点群和空间群 精确精确 测定晶体的点阵常数 结构因子和样测定晶体的点阵常数 结构因子和样 品厚度品厚度 由高阶劳厄带由高阶劳厄带 higherorderLauezone 即 即 HOLZ 圆环的直径迅速测定层状结构晶体圆环的直径迅速测定层状结构晶体 的层间周期等 的层间周期等 低能电子衍射 编辑编辑 低能电子衍射低能电子衍射 LEED 是将能量为 是将能量为 5 500eV 范围的单色电子入射于样范围的单色电子入射于样 品表面品表面 通过电子与晶体相互作用通过电子与晶体相互作用 一一 部分电子以相干散射的形式反射到部分电子以相干散射的形式反射到 真空中 所形成的衍射束进入可移动真空中 所形成的衍射束进入可移动 的接收器进行强度测量 或者再被加的接收器进行强度测量 或者再被加 速至荧光速至荧光 电子电子衍射屏衍射屏 给出可观察的衍射图 给出可观察的衍射图 像像 低能电子衍射仪简图低能电子衍射仪简图 图中 第 图中 第 一栅接地 使衍射电子自由飞过样品一栅接地 使衍射电子自由飞过样品 和栅之间的空间 第二栅加几十伏负和栅之间的空间 第二栅加几十伏负 电压 可滤去非弹性散射电子 荧光电压 可滤去非弹性散射电子 荧光 屏施加千伏高压 使电子有足够的能屏施加千伏高压 使电子有足够的能 量激发荧光物质 由于物质对电子的量激发荧光物质 由于物质对电子的 散射比对散射比对 X 射线的射线的散射强很多 使低散射强很多 使低 能电子具有很高的表面灵敏度 虽然能电子具有很高的表面灵敏度 虽然 在在 1927 年年 C J 戴维孙和戴维孙和 L H 革末发革末发 现了现了 LEED 但因 但因多重散射多重散射带来了技带来了技 术上和理论上的复杂性 使低能衍射术上和理论上的复杂性 使低能衍射 的实际应用推迟了的实际应用推迟了 40 年 直到年 直到 70 年年 代以后 在超高真空技术发展的基础代以后 在超高真空技术发展的基础 上 才使此技术获得新生 上 才使此技术获得新生 低能电子衍射图样给出晶体表面低能电子衍射图样给出晶体表面 倒易空间的晶网像 或者说直接给出倒易空间的晶网像 或者说直接给出 晶体倒易点阵的一个二维截面 见表晶体倒易点阵的一个二维截面 见表 面结构 它可以在一个二维模型基面结构 它可以在一个二维模型基 础上运础上运用衍射的运动学理论加以解用衍射的运动学理论加以解 释 见衍射动力学理论 一个无限释 见衍射动力学理论 一个无限 大的大的二维晶体二维晶体 其倒易点阵是垂直于 其倒易点阵是垂直于 二维晶面的倒易棒所形成之阵列二维晶面的倒易棒所形成之阵列 如如 图图 2 二维周期性结构衍射束的厄瓦二维周期性结构衍射束的厄瓦 耳球结构耳球结构 所示 平行于此晶面的入射所示 平行于此晶面的入射 波矢波矢 k 与散射波矢与散射波矢 k 之差等于此晶之差等于此晶 面的二维倒易点阵矢量面的二维倒易点阵矢量 G 即有 即有 k k G 时时 满足衍射加强条件 故于满足衍射加强条件 故于 图图 2 二维周期性结构衍射束的厄瓦二维周期性结构衍射束的厄瓦 耳球结构耳球结构 中以入射波矢中以入射波矢 k 为半径作为半径作 一球 称为厄瓦耳球 球一球 称为厄瓦耳球 球与