Методы структурного анализа тонких пленок. Метод дифракции электронов низких энергий (ДЭНЭ)
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
настоящее время одним из наиболее информативных методов исследования поверхности твердых тел, она позволяет изучать перестройку кристаллической структуры на поверхности, явления адсорбции и самые начальные стадии кристаллизации твердых тел. Электронография позволяет также изучать атомную структуру ближнего порядка в аморфных телах, стеклах и жидкостях и, кроме того, структуру молекул газов и характер их тепловых колебаний в широком температурном интервале. [5]
1. Дифракция электронов
.1 Дифракция электронов низких энергий ДЭНЭ (дифракция медленных электронов ДМЭ)
Рассеяние микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов и т.п.) кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц данного типа возникают дополнительно отклонённые пучки этих частиц; направление и интенсивность таких отклонённых пучков зависят от строения рассеивающего объекта.
Дифракция частиц может быть понята лишь на основе квантовой теории. Дифракция - явление волновое, оно наблюдается при распространении волн различной природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д. Дифракция при рассеянии частиц, с точки зрения классической физики, невозможна.
Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Основным положением квантовой механики, описывающей поведение микрообъектов, является корпускулярно-волновой дуализм, т. е. двойственная природа микрочастиц. Так, поведение электронов в одних явлениях, например при наблюдении их движения в камере Вильсона или при измерении электрического заряда в фотоэффекте, может быть описано на основе представлений о частицах, в других же, особенно в явлениях дифракции, - только на основе представления о волнах. Идея "волн материи" была высказана французским физиком Л. де Бройлем в 1924 и вскоре получила блестящее подтверждение в опытах по дифракция частиц.
Согласно квантовой механике, свободное движение частицы с массой m и импульсом р = mv (где v - скорость частицы) можно представить как плоскую монохроматическую волну (волну де Бройля) с длиной волны, распространяющуюся в том же направлении, в котором движется частица [2]
Дифракция электронов - процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала.
Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов. [6]
.[3]
Дифракция медленных электронов (ДМЭ) - это старейший из современных методов исследования поверхности. Начало этому методу положили классические опыты К. Дэвиссона и Л. Джермера, проведенные в 1927 году, послужившие первым доказательством волновой природы электрона. Схема эксперимента была, вкратце, такова. Слаботочный пучок термоэмиссионных электронов направлялся нормально на поверхность среза монокристалла никеля. Монокристалл можно было поворачивать вокруг линии падения пучка, детектор же рассеянных электронов позволял проводить их селекцию по углу рассеяния. Таким образом, имелась возможность сканировать, по отношению к монокристаллу, почти всю заднюю полусферу рассеяния - не затенённую электронной пушкой. Детектор настраивался так, чтобы отсекались электроны с малой энергией и регистрировались только те, которые испытали упругое или почти-упругое рассеяние. Выводы о картинах рассеяния делались на основе величины тока с детектора в зависимости от трёх параметров: энергии падавших электронов и двух углов, определявших направления рассеяния. Однако, широкое применение ДМЭ, как и остальных методов исследования поверхности, началось с 60-х годов в связи с развитием современной техники сверхвысокого вакуума.
Медленными называются электроны с энергией 10 ... 100 эВ. Эта энергия сравнима по абсолютной величине с энергией внешних оболочек атомов. По этой причине медленные электроны сильно взаимодействуют с веществом, хорошо рассеиваются, в результате чего средняя длина свободного пробега составляет всего 5 ... 10 А. Этим обусловлена поверхностная чувствительность метода.
Дифракционные картины при рассеянии медленных электронов интерпретируют обычно в кинематическом приближении, в котором пренебрегают потерями энергии первичных электронов. Другими словами, вклад в дифракционную картину в этом приближении учитывается только от упруго отраженных электронов. Поскольку при малых энергиях разница в энергиях упруго отраженных и истинно вторичных электронов мала, необходимо в экспериментальной установке принимать меры для отделения упруго отраженных электронов от неупруго рассеянных. [7] В формировании картины ДМЭ принимают участие только ближайшие к поверхности слои атомов. [8]
1.2 Параметры дифракции
Для исследования кристаллической структуры поверхности используются электроны с энергией.-100 эВ. Во всех методах дифракц