十三章低能電子衍射課件

第二篇電子顯微分析

第十三章低能電子衍射

◆二維點(diǎn)陣◆低能電子衍射LEEDLowEnergyElectronDiffraction

第二篇電子顯微分析

第十三章低能電子衍射1

低能電子衍射是指以能量為10~500eV的電子束照射晶體樣品表面產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。給出樣品表面1~5個原子層的結(jié)構(gòu)信息，是研究晶體表面結(jié)構(gòu)的重要方法。低能電子衍射是指以能量為10~500eV的電子束照射晶2

§13.1單晶表面原子排列與二維點(diǎn)陣一.表面狀態(tài)由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性在表面中斷，單晶表面的原子排列有3種可能的狀態(tài)單晶表面原子排列的可能狀態(tài)體原子的暴露面

維持原體內(nèi)周期性對應(yīng)位置，表面原子面暴露。

(b)表面馳豫表面原子平面排列周期性不變，層間距變化。(c)表面重構(gòu)表面原子發(fā)生重新排列?！?3.1單晶表面原子排列與二維點(diǎn)陣由于晶體結(jié)構(gòu)的周3十三章低能電子衍射課件4表達(dá)其周期性的點(diǎn)陣基本單元稱為(單元)網(wǎng)格。網(wǎng)格由表示其形狀及大小的兩個矢量a與b描述，稱為(二維)點(diǎn)陣基矢或單元網(wǎng)格矢量。與三維點(diǎn)陣的排列規(guī)則可用14種布拉菲點(diǎn)陣表達(dá)相似，二維點(diǎn)陣的排列可用5種二維布拉菲點(diǎn)陣表達(dá)正方、長方、菱形（面心長方）、六角、平行四邊形。二.單晶表面原子排列規(guī)則可用二維點(diǎn)陣描述表達(dá)其周期性的點(diǎn)陣基本單元稱為(單元)網(wǎng)格。二.單晶表面原子5三、二維點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣1.定義：對于由點(diǎn)陣基矢a與b定義的二維點(diǎn)陣，若由點(diǎn)陣基矢a*與b*定義的二維點(diǎn)陣滿足a*·

a=b*·

b=1

a*·

b=b*·a=0則稱a*與b*定義的點(diǎn)陣是a與b定義的點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣。2.性質(zhì)：a*⊥b,b*⊥a

a*＝1/asinθ,b*＝1/asinθθ為正點(diǎn)陣基矢量a、b的夾角。三、二維點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣1.定義：對于由點(diǎn)陣基矢a與b定義的二6二維布拉菲點(diǎn)陣與其倒易點(diǎn)陣十三章低能電子衍射課件73.二維倒易點(diǎn)陣特點(diǎn)■二維倒易點(diǎn)陣矢量垂直于原子列（hk)

■二維倒易點(diǎn)陣矢量ghk=1/dhk

■二維倒易點(diǎn)代表一原子列

■二維倒易點(diǎn)陣陣點(diǎn)延伸為倒易桿3.二維倒易點(diǎn)陣特點(diǎn)■二維倒易點(diǎn)陣矢量垂直于原子列（h8§13.2低能電子衍射儀

一.低能電子衍射儀主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)和控制電源組成。1-電子槍陰極2-聚焦杯3-樣品4-接收器§13.2低能電子衍射儀

一.低能電子衍射儀9十三章低能電子衍射課件10說明：試樣接地，陰極電位為-VP(-10---500V).半球形熒光屏及四個半球形網(wǎng)狀柵極（柵絲直徑25μm,柵絲間距0.25mm).G1極接地，與試樣間無電場，電子可自由運(yùn)動。G2G3為排斥極，接等于-VP電位，使非彈性散射電子不能穿過。G4接地對接收極屏蔽作用，減少G3與接收極間的電容。半球熒光屏接接5kv（0—7kv)，對穿過柵極的電子束起加速作用，增加電子的能量（亮度）。陰極-VP低能電子槍發(fā)射電子，經(jīng)三級加速聚焦杯聚焦，打在試樣上，發(fā)射電子干涉波，在熒光屏上的電子斑點(diǎn)排列表征表面原子二維排列規(guī)律。斑點(diǎn)間距反映原子間距。說明：試樣接地，陰極電位為-VP(-10---500V).11低能電子衍射裝置必須采用無油的超高真空系統(tǒng)，真空度要優(yōu)于1.33×10-7Pa，以避免晶體表面吸收殘余氣體分子造成表面污染，使固有表面衍射圖發(fā)生變化。此外在低能電子衍射裝置中都裝備有原位清洗表面或制備清潔表面的輔助裝置，可實(shí)現(xiàn)原位的濺射剝蝕、在超高真空中沉積新鮮表面等。低能電子衍射裝置必須采用無油的超高真空系統(tǒng)，真空度要優(yōu)于1.12二.LEED的應(yīng)用熒光屏衍射斑點(diǎn)的排列反映了試樣表面原子的二維排列，由斑點(diǎn)間距、電子波長可知原子間距。不斷改變?nèi)肷潆娮拥哪芰浚úㄩL），熒光屏上某斑點(diǎn)的強(qiáng)度隨入射電子能量的變化曲線---”強(qiáng)度特性“、”亮度特性“、I—V或I—E曲線反映二、三層原子二維排列、層間距離、層間原子相對位置、吸收原子和基體原子間相對位置信息。二.LEED的應(yīng)用熒光屏衍射斑點(diǎn)的排列反映了試樣表面原子的二13§13.3低能電子衍射原理一.低能電子衍射原理1.二維電子衍射方向低能電子衍射線來自于樣品表面(幾個原子層)的相干散射。衍射方向(衍射必要條件)可近似由二維勞埃方程描述將二維點(diǎn)陣視為三維點(diǎn)陣特例，二維點(diǎn)陣衍射方向亦可由衍射矢量方程描述，可寫為（S-S0）/=r*HK=Ha*+Kb*(+0c*)§13.3低能電子衍射原理一.低能電子衍射原理14十三章低能電子衍射課件15二.二維點(diǎn)陣與LEED衍射圖像關(guān)系

1.LEED衍射圖像為二維倒易點(diǎn)陣在熒光屏上的投影放大像。試樣位于O點(diǎn)，以O(shè)為圓心、1/λ為半徑作愛氏球，與入射線相交于O*,過O*作與試樣表面平行的二維倒易點(diǎn)陣，過二維陣點(diǎn)作垂線垂直于二維點(diǎn)陣面，垂線能與愛氏球相交的倒易點(diǎn)所代表的點(diǎn)陣列滿足衍射條件。衍射方向?yàn)镺至交點(diǎn)方向。在愛氏球后方的半球熒光屏上的斑點(diǎn)，實(shí)為垂線與愛氏球交點(diǎn)的延伸放大，所以，LEED圖像為二維點(diǎn)陣在熒光屏上的垂直投影。g=1/dhk=(1/λ）sinφ

二.二維點(diǎn)陣與LEED衍射圖像關(guān)系1.LEED衍射16十三章低能電子衍射課件17十三章低能電子衍射課件182.LEED圖像與表面二維點(diǎn)陣關(guān)系

g=1/dhk=(1/λ）sinφdh0=rsinφ（r熒光屏的半徑）=ra*/(1/λ）=rλa*同理：d0k=rλb*說明：熒光屏（投影面）上斑點(diǎn)圖像為二維倒易點(diǎn)陣的放大像，放大倍數(shù)為rλ。測出的斑點(diǎn)間距除以rλ，得到二維倒易點(diǎn)陣a*、b*，由此可求出a、b及表面點(diǎn)陣排列。2.LEED圖像與表面二維點(diǎn)陣關(guān)系g=1/19成像原理與衍射花樣特征

低能電子衍射的厄瓦爾德圖解(a)電子束正入射(b)電子束斜入射成像原理與衍射花樣特征20低能電子衍射以半球形熒光屏(接收極)接收信息。熒光屏上顯示的衍射花樣由若干衍射斑點(diǎn)(衍射線與熒光屏的交點(diǎn))組成；每一個斑點(diǎn)對應(yīng)于樣品表面一個晶列的衍射，亦即相應(yīng)于一個倒易點(diǎn)，因而低能電子衍射花樣是樣品表面二維倒易點(diǎn)陣的投影像。熒光屏上與倒易原點(diǎn)對應(yīng)的衍射斑點(diǎn)(00)處于入射線的鏡面反射方向上。3。低能電子衍射的花樣特征低能電子衍射以半球形熒光屏(接收極)接收信息。3。低能電子衍21§13.4低能電子衍射分析與應(yīng)用一、低能電子衍射圖樣的基本分析過程：由樣品衍射花樣確定a*與b*的方向，并按有關(guān)公式求得a*與b*，從而確定樣品表面二維倒易點(diǎn)陣單元網(wǎng)格，進(jìn)而按倒易基矢與正點(diǎn)陣基矢的對應(yīng)關(guān)系確定樣品表面點(diǎn)陣單元網(wǎng)格的形狀與大小。

§13.4低能電子衍射分析與應(yīng)用22十三章低能電子衍射課件23二、應(yīng)用◆分析與研究晶體表面結(jié)構(gòu)：◆晶體表面及吸附層二維點(diǎn)陣單元網(wǎng)格的形狀與大??；◆表面原子位置(單元網(wǎng)格內(nèi)原子位置、吸附原子相對于基底原子位置等)及沿表面深度方向(兩三個原子層)原子三維排列情況(層間距、層間原子相對位置、吸附是否導(dǎo)致表面重構(gòu)等)；◆分析表面結(jié)構(gòu)缺陷(點(diǎn)缺陷、臺階表面、鑲嵌結(jié)構(gòu)、應(yīng)變結(jié)構(gòu)、規(guī)則和不規(guī)則的疇界和反疇界)等?！舨粌H應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬及合金等材料表面結(jié)構(gòu)與缺陷的分析及吸附、偏析和重構(gòu)相的分析，也應(yīng)用于氣體吸附、脫附及化學(xué)反應(yīng)、外延生長、沉積、催化等過程的研究；◆也可應(yīng)用于表面動力學(xué)過程，如生長動力學(xué)和熱振動的研究等。二、應(yīng)用◆分析與研究晶體表面結(jié)構(gòu)：24第二篇電子顯微分析

第十三章低能電子衍射

◆二維點(diǎn)陣◆低能電子衍射LEEDLowEnergyElectronDiffraction

第二篇電子顯微分析

第十三章低能電子衍射25

低能電子衍射是指以能量為10~500eV的電子束照射晶體樣品表面產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。給出樣品表面1~5個原子層的結(jié)構(gòu)信息，是研究晶體表面結(jié)構(gòu)的重要方法。低能電子衍射是指以能量為10~500eV的電子束照射晶26

§13.1單晶表面原子排列與二維點(diǎn)陣一.表面狀態(tài)由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性在表面中斷，單晶表面的原子排列有3種可能的狀態(tài)單晶表面原子排列的可能狀態(tài)體原子的暴露面

維持原體內(nèi)周期性對應(yīng)位置，表面原子面暴露。

(b)表面馳豫表面原子平面排列周期性不變，層間距變化。(c)表面重構(gòu)表面原子發(fā)生重新排列。§13.1單晶表面原子排列與二維點(diǎn)陣由于晶體結(jié)構(gòu)的周27十三章低能電子衍射課件28表達(dá)其周期性的點(diǎn)陣基本單元稱為(單元)網(wǎng)格。網(wǎng)格由表示其形狀及大小的兩個矢量a與b描述，稱為(二維)點(diǎn)陣基矢或單元網(wǎng)格矢量。與三維點(diǎn)陣的排列規(guī)則可用14種布拉菲點(diǎn)陣表達(dá)相似，二維點(diǎn)陣的排列可用5種二維布拉菲點(diǎn)陣表達(dá)正方、長方、菱形（面心長方）、六角、平行四邊形。二.單晶表面原子排列規(guī)則可用二維點(diǎn)陣描述表達(dá)其周期性的點(diǎn)陣基本單元稱為(單元)網(wǎng)格。二.單晶表面原子29三、二維點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣1.定義：對于由點(diǎn)陣基矢a與b定義的二維點(diǎn)陣，若由點(diǎn)陣基矢a*與b*定義的二維點(diǎn)陣滿足a*·

a=b*·

b=1

a*·

b=b*·a=0則稱a*與b*定義的點(diǎn)陣是a與b定義的點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣。2.性質(zhì)：a*⊥b,b*⊥a

a*＝1/asinθ,b*＝1/asinθθ為正點(diǎn)陣基矢量a、b的夾角。三、二維點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣1.定義：對于由點(diǎn)陣基矢a與b定義的二30二維布拉菲點(diǎn)陣與其倒易點(diǎn)陣十三章低能電子衍射課件313.二維倒易點(diǎn)陣特點(diǎn)■二維倒易點(diǎn)陣矢量垂直于原子列（hk)

■二維倒易點(diǎn)陣矢量ghk=1/dhk

■二維倒易點(diǎn)代表一原子列

■二維倒易點(diǎn)陣陣點(diǎn)延伸為倒易桿3.二維倒易點(diǎn)陣特點(diǎn)■二維倒易點(diǎn)陣矢量垂直于原子列（h32§13.2低能電子衍射儀

一.低能電子衍射儀主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)和控制電源組成。1-電子槍陰極2-聚焦杯3-樣品4-接收器§13.2低能電子衍射儀

一.低能電子衍射儀33十三章低能電子衍射課件34說明：試樣接地，陰極電位為-VP(-10---500V).半球形熒光屏及四個半球形網(wǎng)狀柵極（柵絲直徑25μm,柵絲間距0.25mm).G1極接地，與試樣間無電場，電子可自由運(yùn)動。G2G3為排斥極，接等于-VP電位，使非彈性散射電子不能穿過。G4接地對接收極屏蔽作用，減少G3與接收極間的電容。半球熒光屏接接5kv（0—7kv)，對穿過柵極的電子束起加速作用，增加電子的能量（亮度）。陰極-VP低能電子槍發(fā)射電子，經(jīng)三級加速聚焦杯聚焦，打在試樣上，發(fā)射電子干涉波，在熒光屏上的電子斑點(diǎn)排列表征表面原子二維排列規(guī)律。斑點(diǎn)間距反映原子間距。說明：試樣接地，陰極電位為-VP(-10---500V).35低能電子衍射裝置必須采用無油的超高真空系統(tǒng)，真空度要優(yōu)于1.33×10-7Pa，以避免晶體表面吸收殘余氣體分子造成表面污染，使固有表面衍射圖發(fā)生變化。此外在低能電子衍射裝置中都裝備有原位清洗表面或制備清潔表面的輔助裝置，可實(shí)現(xiàn)原位的濺射剝蝕、在超高真空中沉積新鮮表面等。低能電子衍射裝置必須采用無油的超高真空系統(tǒng)，真空度要優(yōu)于1.36二.LEED的應(yīng)用熒光屏衍射斑點(diǎn)的排列反映了試樣表面原子的二維排列，由斑點(diǎn)間距、電子波長可知原子間距。不斷改變?nèi)肷潆娮拥哪芰浚úㄩL），熒光屏上某斑點(diǎn)的強(qiáng)度隨入射電子能量的變化曲線---”強(qiáng)度特性“、”亮度特性“、I—V或I—E曲線反映二、三層原子二維排列、層間距離、層間原子相對位置、吸收原子和基體原子間相對位置信息。二.LEED的應(yīng)用熒光屏衍射斑點(diǎn)的排列反映了試樣表面原子的二37§13.3低能電子衍射原理一.低能電子衍射原理1.二維電子衍射方向低能電子衍射線來自于樣品表面(幾個原子層)的相干散射。衍射方向(衍射必要條件)可近似由二維勞埃方程描述將二維點(diǎn)陣視為三維點(diǎn)陣特例，二維點(diǎn)陣衍射方向亦可由衍射矢量方程描述，可寫為（S-S0）/=r*HK=Ha*+Kb*(+0c*)§13.3低能電子衍射原理一.低能電子衍射原理38十三章低能電子衍射課件39二.二維點(diǎn)陣與LEED衍射圖像關(guān)系

1.LEED衍射圖像為二維倒易點(diǎn)陣在熒光屏上的投影放大像。試樣位于O點(diǎn)，以O(shè)為圓心、1/λ為半徑作愛氏球，與入射線相交于O*,過O*作與試樣表面平行的二維倒易點(diǎn)陣，過二維陣點(diǎn)作垂線垂直于二維點(diǎn)陣面，垂線能與愛氏球相交的倒易點(diǎn)所代表的點(diǎn)陣列滿足衍射條件。衍射方向?yàn)镺至交點(diǎn)方向。在愛氏球后方的半球熒光屏上的斑點(diǎn)，實(shí)為垂線與愛氏球交點(diǎn)的延伸放大，所以，LEED圖像為二維點(diǎn)陣在熒光屏上的垂直投影。g=1/dhk=(1/λ）sinφ

二.二維點(diǎn)陣與LEED衍射圖像關(guān)系1.LEED衍射40十三章低能電子衍射課件41十三章低能電子衍射課件422.LEED圖像與表面二維點(diǎn)陣關(guān)系

g=1/dhk=(1/λ）sinφdh0=rsinφ（r熒光屏的半徑）=ra*/(1/λ）=rλa*同理：d0k=rλb*說明：熒光屏（投影面）上斑點(diǎn)圖像為二維倒易點(diǎn)陣的放大像，放大倍數(shù)為rλ。測出的斑點(diǎn)間距除以rλ，得到二維倒易點(diǎn)陣a*、b*，由此可求出a、b及表面點(diǎn)陣排列。2.LEED圖像與表面二維點(diǎn)陣關(guān)系g=1/43成像原理與衍射花樣特征

低能電子衍射的厄瓦爾德圖解