Методы структурного анализа тонких пленок. Метод дифракции электронов низких энергий (ДЭНЭ)
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
ления волн возникают новые волновые фронты. Для усиливающей интерференции необходимо, чтобы эти слабые волны складывались, а не погашались. Следовательно, они должны быть в фазе, т.е. вдоль данного направления должно укладываться целое число длин волн между волновым фронтом и различными атомами. Это условие усиления рассеяния в результате интерференции записывается в виде
n?=a sin? (8)
где n? - целое число длин волн, a sin? - проекция межатомного расстояния вдоль нового направления распространения и, следовательно, расстояние между волнами, рассеянными на соседних атомах. Если это условие усиления при интерференции выполняется для волн, возникающих на соседних атомах, то оно будет выполняться и для волн, возникающих на любых атомах ряда вследствие периодичности кристалла.
Рисунок 3. Дифракция частиц на ряде рассеивающих центров: а - плоская падающая волна; б - волновой фронт рассеянной волны; в - конус, на котором интерференция приводит к усилению волны; 1 - падающий пучок; 2 - дифрагированный пучок.
В зависимости от а и ? усиливающая интерференция может иметь место при нескольких значениях углов в. Поскольку этот ряд атомов имеет одномерную симметрию, усиливающая интерференция будет происходить на конусах с осью, расположенной на атомном ряде, и вероятность обнаружения электрона будет конечной также на этих конусах.
Двумерное периодическое расположение атомов с постоянными примитивной решетки а и b будет давать два набора дифракционных условий:
nа? а =a sin?а (9)а?а =a sin?b (10)
Новый набор конусов также задает единственно возможное расположение областей усиливающей интерференции. Поскольку оба условия должны выполняться одновременно, единственными областями, где мы можем обнаружить электрон, является пересечение конусов. Поскольку пересечение двух конусов с общим началом и непараллельными осями дает прямые линии, то когда электрон дифрагирует на периодическом двумерном ряде атомов, он может быть рассеян вдоль линий или стержней, простирающихся от поверхности. Если мы установим детектор поперек набора этих стержней, то они будут представлены как точки или пятна. Во многих экспериментах по дифракции электронов низких энергий (рис. 8.4) эти дифракционные стержни пересекаются флюоресцентным экраном, и дифракционные пятна могут наблюдаться визуально. Этим пятнам могут быть сопоставлены удобные обозначения (nа, nb), где na и nb - целые числа длин волн соответственно в а- и b- направлениях, связанных с рассматриваемым стержнем.
Дифракцию электронов низких энергий можно использовать в методиках различной степени сложности. Простейшей схемой является наблюдение картины дифракции электронов низких энергий на флюоресцентном экране. Устройство, схематически изображенное на рис. 7.6, содержит набор замедляющих сеток для отражения неупруго рассеянных электронов. Упруго отраженные электроны имеют энергию, достаточную для преодоления замедляющей системы.
Рисунок 4. Схема вакуумной установки для наблюдения дифракции электронов низких энергий: 1 - электронная пушка; 2 - флюоресцентный экран; 3 - образец; 4 - замедляющие сетки; 5 - дифрагированные пучки; 6 - патрубок вакуумной откачки; 7 - окно обзора.
После прохождения через решетки упруго рассеянные электроны ускоряются для того, чтобы они могли обеспечить свечение флюоресцентного экрана. Такая схема, использующая дифракцию электронов низких энергий, является сравнительно быстрым и простым методом определения кристаллического порядка на самой поверхности монокристалла. Подобные эксперименты должны выполняться в условиях тщательно контролируемого высокого вакуума, так как даже монослой поверхностных загрязнений может серьезно повлиять на качество изображения. В более сложных методиках электронной дифракции измеряется интенсивность дифракционных пятен отраженного пучка. Последующий анализ позволяет получить более детальное описание поверхностной структуры.
Важно понять, что картина дифракции электронов низких энергий отображает периодичность атомов поверхности и общую ее симметрию, но не конкретные положения атомов. Это можно показать на очень простом примере. Рассмотрим в геометрии рис. 8.3 сигналы, соответствующие нулевому порядку (?=0) и первому порядку дифракции n = 1. Разность углов между двумя дифракционным порядками дается соотношением ?? = arcsin(? /а)
Если ? /а =1/3, то ?? = 19.5е. Заменим а -> 2а, уменьшив плотность атомов вдоль ряда в 2 раза. Теперь ?? = 9.59, а для n=0 и n=2 разность составит ?? = 19.5. В результате между первоначальными пятнами появляется семейство дополнительных пятен. Любая структура, приводящая к периодичности, будет давать пятна порядка 1/2. Примеры таких структур приведены на рис. 7.7, где показаны первоначальная структура с периодом а, структура с периодом 2а, возникающая за счет вакансий в каждом втором узле, и структура с тем же периодом 2а, возникающая за счет сдваивания прилежащих атомов. Структуры бив состоят из атомов, имеющих весьма различные положения, а результатом являются одни и те же картины ДЭНЭ.
Рисунок 5. Атомные ряды с периодичностью: а - а, б - 2а и в - 2а. В случаях б и в возникает одна и та же картина ДЭНЭ для максимумов порядка 1/2 при различных расположениях самих атомов; 1 - направление падающего пучка.
Хотя определение положений атомов с помощью дифракции электронов низких энергий не является однозначным, можно предсказать симметрию дифракционного и