低能电子衍射(共6页)

1、低能(dnng)电子衍射摘要(zhiyo)：低能电子衍射技术(jsh)(LEED)是研究物质表面原子结构的主要手段之一。本文综合数篇文献，主要介绍了低能电子衍射技术的原理和应用。关键词：低能电子衍射；表面结构1.前言自从Davisson和Germer发现低能电子衍射(LEED)现象以来1，LEED已经历了好几个发展阶段。早在七十年代初期，LEED已发展成为可以确定简单金属表面原子结构的有力工具，而且在当时亦是唯一的手段。随着表面科学的迅速成长和壮大，目前已有不下十种方法可用以确定表面的原子结构。但LEED仍然是当今确定表面原子结构的主要手段之一。事实上，在已确定数百种表面的原子结构中，用LEE

2、D方法确定的占绝大部分2。LEED确定的表面原子结构的可信性大、精度高(可达0.01A)。LEED不仅可准确地确定表面最外一个原子层中的原子位置，而且还可确定其底下的几个原子层中的原子位置。近十年来，LEED取得了很大的进展，成为更有效的分析表面结构之手段。近年来，LEED沿着两条平行的路线发展，一些人继续研究清洁和吸附表面的有序结构，它们随温度和覆盖度的变化，报告二维晶胞的信息和形成条件.另一部分工作是仔细地从这些有序表面结构测量衍射束强度与电子能量、角度和温度的关系，决定表面原子的位置、它们的距离和近邻之间的夹角.迄今已报道了1000多种有序表面结构和100多种表面结构的定量分析结果。 L

3、EED在一友面研究中大致起着三方面的功能:认证表面的有序程序及表面的周期性和对称性;确定单胞内原子的位置;测定表面的缺陷及缺陷随温度、时间和吸附量的变化。第一个功能是人们熟悉的。第二个功能常被认为是LEED的主要功能而被强调，所以亦相当熟悉。但由于庞大而耗时的计算程序，繁冗而低效率的尝试一误差探索过程，令人生畏止步。幸而，近十年来的迅速发展，正在深刻地改变这一状况。第三个功能则往往被遗忘，但它是近年得到快速发展的一个肥沃领域。LEED已成为表面实验室最“常规”的装备之一，因此，如何从LEED提取有用信息，一直为广大表面科学家所关注。目前LEED的发展，在实验方面主要集中(jzhng)于研制高相

4、干或低束流电子枪和快速扫描记录分析系统，并尽量与各种谱仪联合，如与高分辨低能电子能量损失谱仪(HREELS)联合来研究有序一无序结构是其一例。理论学家一方面尽量使计算程序成为实验工作者确定表面原子的三维位置的常规方法，另一方面，正在发展新方法，以使LEED能研究越来越复杂的表面结构。2.原理(yunl)低能(dnng)电子，能量为20-500eV，3-0.5。它们很容易被原子散射，波长为仅能透入晶体几个原子层，是研究表面结构的理想手段。周期排列的表面原子将成为这种电子波的衍射光栅，电子打到晶体表面上会产生一些衍射电子束。衍射束的分布和强度与入射电子的能量、入射方向和表面原子的排列情况有关，因而

5、能提供表面结构的信息。由于低能电容易被原子散射，实验时样品表面要没有沾污，所以LEED实验要在超高真空系统(一般是10-10)中进行3。LEED仪器主要由三部分构成:电子枪、样品架和衍射束的检测器。图1是仪器的示意图。电子在电压V的加速下，以一定的入射角打到样品S的表面上。其中约有95-98%成为非弹性散射电子，仅有2-5%为弹性散射电子。它们在样品和栅极G1之间无电磁场的空间中运动。在G2和G3上加一个小的负电压，把几乎全部非弹性散射电子都排斥回去，只有弹性散射电子才能到达G3。在G3和荧光屏之间加一个大的正电压，加速这些电子，使之打到荧光屏F上产生亮点(衍射斑点)。由这些衍射斑点构成的图形

6、叫LEED图。图1 原理图改变入射电子能量，根据布喇格条件，衍射亮斑随之在荧光屏上移动，且每个亮斑的衍射强度连续变化。可在观察窗外面(wimin)用光度计、摄象采集系统或照相办法，测量不同衍射束强度的1-V或1-E (E为电子能量)曲线，又称LEED强度谱，进行LEED定量分析用。如测量每个亮斑的角分布，可研究不完整表面的特性。LEED分析器的另一种形式是在球形栅网前加法拉第杯，测量背射电子强度。法拉第杯由机械或步进控制在各方位上移动。它的接收灵敏度高，但操作不方便，速度慢。第三种形式是将隧道倍增管阵列板和电阻板，或其它形式的摄象增强接收系统装在超高真空室中，直接测量衍射束强度.也可用示波器或

7、投影荧光屏做外显示4。3.应用(yngyng)3.1用低能(dnng)电子衍射研究GaAs(110)表面的弛豫GaAs晶体是属于化合物半导体,As和Ga 原子间都是采用sp3杂化轨道相联结的极性共价键. 它的(001),(111)是极性表面, 原子晶体表面的特征显著, 表面上有大量悬挂键, 重构现象普遍. 但(110)是非极性表面, 离子晶体表面的特征显著, 表面悬挂键基本消失, 至今未发现重构现象。但此表面总是弛豫的。关于(110)表面的弛豫已有大量研究工作。 但随作者采用的方法和模型不同, 所提出的此表面结构(jigu)参数彼此差别较大。研究使用(shyng)低能电子衍射研究了GaAs(1

8、10)表面的弛豫5。发现当理论与实验之间符合得最好时，得到的结构(jigu)是，保持表面上As-Ga键长不变用一个27.32士0.24的旋转角()，使As原子向外移动0.100.02，Ga原子向内移动0.550.02，而从Ga到第二层时空间为d1=1.450.01，从第二层Ga到第三层的空间为d2=2.010.01。对此结构As的背键长lAs= 2.430.01(收缩0.56%，而Ga的背键长lGa= 2.2530.004(收缩8.0%)。3.2用低能电子衍射研究小面结构在某些晶体表面上，会出现与该表面晶格取向不同的其它晶面，它们可能是晶体表面上台阶的断面，也可能是在晶格表面上出现的一些小丘、

9、平台、锥体或各种类型凹坑的边界面，这些在表面上出现的取向与表面相异的晶面统称为“小面”6。 确定这类小面的结构，即它们的晶格取向和周期性，有着特殊的意义。众所周知，晶体表面特有的电子性质和它的晶格结构往往密切相联系着7，小面的存在有可能影响或根本改变原来晶体表面的电子性质。另外，这类小面的出现有各种不同原因，或者决定于晶体本身的固有特性，或者来源于制备表面的各种处理手段。了解了这类小面的结构，就为进一步探讨上述问题打下基础。低能电子衍射(LEED)是研究晶体表面结构的主要手段.当表面上形成的小面是有序时，这些小面所对应的LEED图样将呈现特殊的行为，利用这一点就有可能确定小面的晶向和周期性。3

10、.3用低能电子衍射研究固体表面的原子排列研究固体清洁和吸附表面的原子排列，是了解固体表面结构和性质的基础。只有对固体表面二维晶格的周期性(即原胞)、原胞的组成与各原子的排布、原胞与衬底之间的距离等确定后，才能比较全面地阐明表面的物理和化学性质以及表面与原子或分子的相互作用8。LEED谱用于确定表面(biomin)原胞组成和原子在原胞中的位置以及表面原胞与衬底间距等参数，因此它是表面结构的特征谱。只要用精确可靠的实验方法获得5-6条LEED谱后，就以此为标准，选用合理模型和参数，并不断调整表面原子位置使理论计算与实验结果一致，这样就可确定表面结构。用LEED研究清洁和吸附固体表面的原子结构已近8

11、00个。从文献可知，已研究过的大多数清洁的金属固体表面与衬底相同，且稳定。但一般只研究了一个晶面，只有Ni, Al和Fe三个晶面都研究过了。从结果看来Ni, Al和Mo虽然表面原胞与衬底的相同，但在垂直于表面的方向上原子间距有膨胀和收缩现象，并随晶体种类和晶面不同，膨胀和收缩的程度也不同。这是否具有特定(tdng)的规律，有待今后证实。在原子晶体各晶面和5d过渡金属的(100)面上，普遍存在重构现象。这是由于(yuy)此类晶面上存在大量悬挂键之故。这些悬挂键好象半电场，处于此种场中的原子不稳定，故可重排成稳定的结构。在离子晶体表面上的正、负离子有向内、外移动几埃()的现象。一般阴离子极化变形较

12、大，被表面场极化后离子半径增大，故向外移动;而阳离子极化变形较小，故向内移动。因此离子晶体表面总是被负电荷所屏蔽。4.结语近10多年来虽然已对各种晶体表面进行了大量研究工作，其成果已在许多科学、科技和生产中发挥了很好的作用。但研究工作还限于部分晶面。可以预言随着对各类晶体、无定形体、有机体和生物体等表面全面深人了解后，它将在许多学科(如，材料、半导体、金属和超高真空等物理;腐蚀和催化等化学)和技术(如，固体器件、大规模、超大规模和光集成电路以及遥感技术等)领域中发挥更好的作用。参考文献C.Daeisson and L.Germer, Nature 119(1927)5589 Phys.Rev.

13、,30(1927)705.J.Maclaren, J.Pendry,P.Rous,D.Saldin, G.Sornorjai, M.Van Hove and D. Vvedensky. Surface Crystalloraphic Information Service一A Handbook of Surface Structures. D.Reidel Publishing Company,1987.杨玉琨.低能(dnng)电子衍射J. 物理(wl)实验,1983,3(2):88-91.伍乃娟.低能(dnng)电子衍射J. 物理，1983，13(10):596-608.蓝田,徐飞岳.用低能电子衍射研究GaAs(110)表面的弛豫J.物理学报,1989,38(3):357-365.陈平,侯晓远,丁训民,等.用低能电子衍射研究小面结构-在VIII族化合物半导体表面的应用J