低能电子衍射谱.pptx

低能电子能谱低能电子能谱(LEED)Low Energy Electron Diffractionv任任何何具具有有二二维维周周期期性性的的结结构构都都可可以以用用一一个个二二维维晶晶格格或或称称为为网网格的点阵加上基元来描述。格的点阵加上基元来描述。v这这个个网网格格是是平平面面上上的的点点子子沿沿两两个个方方向向周周期期排排列列所所形形成成的的无无限限点点阵阵，每每个个点点子子周周围围的的情情况况(即即原原子子的的排排列列)都都是是相相同同的的，这这些点子就称为格点。些点子就称为格点。v在在每每一一格格点点附附近近相相同同的的这这种种原原子子集集合合就就称称为为基基元元，所所以以一一个个网格加上一个基元就唯一的确定了一个表面结构。网格加上一个基元就唯一的确定了一个表面结构。v对对于于简简单单结结构构，基基元元可可以以由由一一个个原原子子组组成成，此此时时网网格格点点就就代代表表原原子子；对对于于复复杂杂的的表表面面结结构构基基元元，可可以以由由许许多多原原子子组组成成，而格点也代表这样一个原子基团的质心。而格点也代表这样一个原子基团的质心。v二维晶格中的所有点都可由原点通过下列二维晶格中的所有点都可由原点通过下列平移平移来达到来达到T=n1a+n2b式中的式中的a,b是二维网格的是二维网格的“基矢基矢”LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构由由于于两两维维周周期期结结构构只只存存在在有有限限的的点点群群(十十个个)，它它们们将将限限制制可可能能出出现现的的原原始始平平移移的的种种类类。可可以以证证明明这这种种相相互互限限制制的的结结果果，使使得得只只可可能能有有五五种种二二维维布布喇喇菲菲网格网格存在。存在。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构五种二维格子元格形状元格形状晶格符号晶格符号轴和夹角轴和夹角晶系名称晶系名称平行四边形平行四边形长方形长方形正方形正方形120o菱形菱形PP,CPa b,90oa b,=90oa=b,=90oa=b,=120o斜方斜方长方长方正方正方六角六角LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构v晶晶列列：与与三三维维晶晶格格一一样样，二二维维格格子子中中排排列列在在平平行行直直线上的格点形成二维晶格中的平行晶列。线上的格点形成二维晶格中的平行晶列。v为为了了表表示示这这些些平平行行晶晶列列的的取取向向，可可在在平平面面上上选选取取一一坐坐标标系系，其其坐坐标标轴轴与与基基矢矢a,b平平行行。设设晶晶列列在在a,b轴轴上上交交点点的的坐坐标标为为s1a,s2b，1/s1:1/s2=h1:h2为为一一组组互互质质的的整整数数，晶晶列列的的方方向向就就是是由由(h1,h2)决决定定，(h1,h2)既是二维晶格的既是二维晶格的晶列指数晶列指数。v一一组组(h1,h2)表表示示的的不不只只是是一一条条晶晶列列，而而是是一一组组相相互互平平行行的的晶晶列列系系。同同一一晶晶列列系系中中相相邻邻晶晶列列间间的的距距离离可可由表示这一组晶列的指数求得。由表示这一组晶列的指数求得。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构相邻晶列间的距离相邻晶列间的距离斜方格子斜方格子(P)长方格子长方格子(P,C)LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构正方格子正方格子(P)六角格子六角格子LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构v二二维维倒倒格格子子：和和三三维维情情况况一一样样，为为了了讨讨论论二二维维周周期期结结构中波的运动，可以引进构中波的运动，可以引进“倒格子倒格子”的概念。的概念。v二二维维倒倒格格子子的的基基矢矢b1,b2与与二二维维布布喇喇菲菲格格子子的的基基矢矢a1,a2间间的的关关系系为为：aibj=2ij。设设c是是垂垂直直表表面面的的单单位位矢矢量，则量，则:LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构v与与真真实实空空间间中中的的位位移移矢矢量量一一样样，倒倒格格子子空空间间的的平平移移对对称称性性可由下式表示：可由下式表示：v倒倒格格子子空空间间的的所所有有格格点点都都可可以以由由原原点点通通过过平平移移得得出出。Kh也表示倒格子空间的格矢，称为也表示倒格子空间的格矢，称为倒格矢倒格矢。vKh的的方方向向与与晶晶列列指指数数为为(h1,h2)的的晶晶列列垂垂直直，长长度度等等于于晶晶列间距倒数的列间距倒数的2 倍。倍。v由由于于一一个个表表面面晶晶列列相相当当于于与与表表面面垂垂直直的的一一个个晶晶面面，所所以以二二维维倒倒格格矢矢Kh包包括括了了与与表表面面垂垂直直的的一一组组晶晶面面的的面面间间距距和和法法线方向两个信息。线方向两个信息。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构v晶体的清洁表面在垂直表面方向上的表面驰豫。晶体的清洁表面在垂直表面方向上的表面驰豫。v对对于于许许多多共共价价半半导导体体(如如Ge,Si)和和少少数数几几种种金金属属，情情况况更更为为复复杂杂。由由于于表表面面上上原原子子出出现现明明显显的的驰驰豫豫，以以致致在在平平行行表表面面的的方方向向上上的的平平移移对对称称性性与与体体内内也也有有明明显的不同，这种现象称为显的不同，这种现象称为“表面重构表面重构”。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构v通通常常所所说说的的表表面面是是指指大大块块晶晶体体的的三三维维周周期期结结构构与与真真空空之之间间的的过过渡渡区区，它它包包括括所所有有不不具具有有体体内内三三维维周周期期性性的的原原子子层层，一一般般是是一一个个到到几几个个原原子子层层(0.52nm)；表面结构指的就是表面上这一层原子的排列。表面结构指的就是表面上这一层原子的排列。为为了了说说明明晶晶体体表表面面的的重重构构现现象象或或吸吸附附在在表表面面上上外外来来原原子子的的结结构构，通通常常都都是是取取与与表表面面平平行行的的衬衬底底网网格格作作为为参参考考网网格格，将将表表面面层层的的结结构构与与衬衬底底结结构构作作比比较较来来对对表表面面网格进行定标。网格进行定标。设设衬底网格衬底网格的周期性由下式表示：的周期性由下式表示：T=n1a+n2b表面网格表面网格的周期性为的周期性为Ts=n1as+n2bsLEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构在最简单的情况下，可有在最简单的情况下，可有as=pa,bs=qb(p,q为整数为整数)即即表表面面网网格格的的基基矢矢和和衬衬底底的的基基矢矢平平行行。在在这这种种情情况下，习惯上用下面的缩写符号表示：况下，习惯上用下面的缩写符号表示：R(hkl)p q-D其其中中，R表表示示衬衬底底材材料料的的符符号号，(hkl)表表示示表表面面平平面面的的密密勒勒指指数数，D是是覆覆盖盖层层或或淀淀积积层层物物质质的的化化学学元素符号。元素符号。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构在更一般的情况下，在更一般的情况下，as=p1a+q1b，bs=p2a+q2b如果如果as，bs之间的夹角等于之间的夹角等于a，b之间的夹角，则通常之间的夹角，则通常用下列符号表示：用下列符号表示：式中式中 是表面元格相对衬底元格所转过的角度。是表面元格相对衬底元格所转过的角度。LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构表表示示硅硅(111)清清洁洁表表面面有有表表面面重重构构现现象象，表表面面网网格格的的周周期期是是Si(111)面面上上周周期期的的七七倍倍，两两个个网网格格间间没没有有相对转动。相对转动。Si(111)7 7结构结构LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构Ni(001)Ni(001)晶晶面面上上吸吸附附了了一一层层S S后后，S S原原子子形形成成的的正正方方网网格格。元元格格边边长长为为衬衬底底Ni(001)Ni(001)面面上上元元格格基基矢矢的的2 2倍倍，而而且且两两个个元元格格相相对对旋旋转转了了 4545o o。这这 样样 的的 结结 构构 记记 为为Ni(001)2Ni(001)2 2-452-45o o-S-S。由由于于这这种种表表面面结结构构看看上上去去具具有有“中中心心正正方方”网网格格的的特特征征，所所以以文文献献上上经经常采用另一种符号常采用另一种符号C(2C(2 2)2)表示。表示。S吸附在吸附在Ni(001)上上LEED 晶体表面结构和倒易结构晶体表面结构和倒易结构LEED 引言引言v1921年年Davisson和和Germer研研究究了了电电子子束束在在单单晶晶表表面面的散射现象。并发现了电子的散射不是各向同性的。的散射现象。并发现了电子的散射不是各向同性的。v30年代后，人们开始了低能电子衍射方面的研究。年代后，人们开始了低能电子衍射方面的研究。v60年年代代，随随着着超超高高真真空空技技术术的的发发展展，人人们们认认识识到到获获得得清清洁洁表表面面对对观观察察低低能能电电子子衍衍射射图图象象的的重重要要性性，用用LEED研研究究了了Ti,Ge,Si,Ni,SiC等等的的表表面面原原子子排排列列，并并开始研究气体在单晶表面的吸附现象。开始研究气体在单晶表面的吸附现象。LEED 引言引言v从从七七十十年年代代开开始始，开开展展了了LEED强强度度特特性性的的理理论论研研究究，并并结结合合计计算算机机模模拟拟计计算算，对对表表面面结结构构进进行行研研究究。目目前前，人人们们已已对对一一百百多多种种表表面面结结构构进进行行了了研研究究，得得到到许许多多表表面面吸吸附附结结构构方方面面的的新新知识。知识。LEED 低能电子衍射概述低能电子衍射概述 v入入射射电电子子的的能能量量 通通 常常 为为 20500eV，对对应应的的波波长长为为0.30.05nm。低能电子衍射装置的原理示意图低能电子衍射装置的原理示意图LEED 低能电子衍射概述低能电子衍射概述LEED 低能电子衍射概述低能电子衍射概述v晶晶体体中中的的原原子子对对能能量量在在0500eV范范围围内内的的电电子子有有很很大大的的散散射射截截面面，入入射射电电子子在在经经受受弹弹性性或或非非弹弹性性散散射射之之前前是是不不能能进进入入晶晶体体很很深深的的。因因此此，背背散散射射电电子子中中绝绝大大部部分分是是被被表表面面或或近近表表面面的的原原子子散散射射回回来来的的，这这就就使使低低能能电电子子衍衍射射成成为为研研究究表表面面结结构构的一个理想的手段。的一个理想的手段。v正正是是由由于于晶晶体体原原子子对对低低能能电电子子散散射射的的截截面面很很大大，使使得得电电子子在在离离开开晶晶体体前前经经受受多多次次散散射射的的几几率率很很大大，这这种种现现象象称称为为多多重重散散射。射。v由由于于多多重重散散射射的的存存在在，使使低低能能电电子子衍衍射射结结果果的的分分析析变变得得极极为为复复杂杂。至至今今，还还不不能能唯唯一一地地根根据据低低能能电电子子衍衍射射数数据据决决定定晶晶体体表面原子的排列，这方面的研究仍在继续进行之中。表面原子的排列，这方面的研究仍在继续进行之中。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样由由于于表表面面原原子子的的散散射射截截面面很很大大，起起散散射射作作用用的的主主要要是是表表面面第第一层原子，作为近似，可按二维散射考虑。一层原子，作为近似，可按二维散射考虑。对对于于一一维维原原子子链链，则则相相邻邻原原子子间间的的光光程程差差等等于于波波长长的的整整数数倍倍时，散射波发生衍射。对于垂直入射的电子，则衍射条件为：时，散射波发生衍射。对于垂直入射的电子，则衍射条件为：acos h=h，h=0,1,2,表明衍射方向处在与轴线成表明衍射方向处在与轴线成 h的圆锥面上。的圆锥面上。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样一维衍射栅产生的散射圆锥一维衍射栅产生的散射圆锥 LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样如如果果荧荧光光屏屏位位于于电电子子枪枪的的同同一一方方，且且是是以以衍衍射射栅栅为为球球心心的的一一个个球球面面，则则衍衍射射圆圆锥锥和和荧荧光光屏屏的的交交线线是是一一组组直直线线，间间距距为为r/a，r是是荧光屏的半径。荧光屏的半径。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样对对于于二二维维网网格格，设设二二维维网网格格单单元元是是长长方方形形，x方方向向间间距距为为a，y方方向向的的间间距距为为b。对对垂垂直直入入射射的的情情况况，在在x方方向向发发生生衍衍射射的的同同时时，在在y方方向向上上也也有有类类似似的的衍衍射射发发生生。因因此此，对对二二维维衍衍射射栅栅，荧荧光光屏屏上上显显示示出出一组点一组点。acos h=h，h=0,1,2,bcos k=k，k=0,1,2,LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样对对于于较较复复杂杂的的二二维维晶晶格格，衍射条件为：衍射条件为：(s s0)(pa+qb)=n 若电子束垂直入射，则有若电子束垂直入射，则有s(pa+qb)=n 即即sa=h，sb=k。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样在在二二维维倒倒格格子子中中，衍衍射方程为：射方程为：(s s0)/=Hhk+NN是是垂垂直直于于倒倒易易晶晶格格的的一一个个矢矢量量。由由衍衍射射方方程程，可可以以利利用用反反射射图图的的概概念念确确定定衍衍射射方方向。向。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样由二维倒易晶格和爱华尔德球确定的衍射方向由二维倒易晶格和爱华尔德球确定的衍射方向LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样因为衍射方向决定于倒易晶格垂线与反射球的交点，若样品处因为衍射方向决定于倒易晶格垂线与反射球的交点，若样品处于荧光屏的球心，则荧光屏上于荧光屏的球心，则荧光屏上LEED图案是二维倒易晶格的投图案是二维倒易晶格的投影。影。LEED 低能电子衍射图样低能电子衍射图样当入射电子能量改变时，电子波长发生变化，当入射电子能量改变时，电子波长发生变化，LEED图案随之图案随之变化。当电子能量变化时，变化。当电子能量变化时，(00)位置是不变的，这个规律可以位置是不变的，这个规律可以用来判断那个斑点是用来判断那个斑点是(00)点，点，并且可以判断原电子束是否垂直并且可以判断原电子束是否垂直入射。入射。LEED 基本理论及应用基本理论及应用 v运动学理论：运动学理论：先先考考虑虑一一维维情情况况，设设有有M个个原原子子，则则相相邻邻原原子子散射波的位相差为：散射波的位相差为：-2(s s0)d/-KdK为散射矢量。为散射矢量。LEED 基本理论及应用基本理论及应用若第若第j个原子的散射波为：个原子的散射波为：j=Acos t+j=ReAexpi(t+j)则合成的散射波为：则合成的散射波为：LEED 基本理论及应用基本理论及应用对于基矢为对于基矢为a、b，每个单位晶胞内有，每个单位晶胞内有N个原子的个原子的二维晶格，有：二维晶格，有：其中其中fn为单位晶胞内第为单位晶胞内第n个原子的散射因子。个原子的散射因子。LEED 基本理论及应用基本理论及应用定义定义F为单位晶胞的结构因子，则总散射波的强为单位晶胞的结构因子，则总散射波的强度为：度为：即即Ka=2h，Kb=2k时，发生衍射极大。时，发生衍射极大。LEED 基本理论及应用基本理论及应用结构因子结构因子F为：为：将引起衍射光点的强弱将引起衍射光点的强弱不同，甚至消光。不同，甚至消光。LEED 基本理论及应用基本理论及应用v吸附表面的LEED图案：单单晶晶表表面面吸吸附附气气体体时时，LEED图图案案将将随随之之变变化化。改改变变后后的的衍衍射射图图案案反反映映了了吸吸附附原原子子的的排排列列规规律律。吸吸附附表表面面的的衍衍射射图图案案和和原原单单晶晶面面的的衍衍射射图图案案有有一一定定的的几几何何关系。关系。LEED 基本理论及应用基本理论及应用W(100)面面吸吸氧氧前前后后的的衍衍射射图图案案及及可可能能的的吸吸附附原原子子在在表表面面的的排排列列。根根据据这这一一结结果果，可可以以推推测测氧氧在在W(100)面的排列可能是面的排列可能是W(100)(2 2)-O。LEED 基本理论及应用基本理论及应用v对对于于复复杂杂的的情情况况，吸吸附附面面的的原原子子排排列列可可能能有有多多种种形形式式，因因为为吸吸附附面面衍衍射射图图只只说说明明吸吸附附原原子子的的单单元元网网格格的的形形状状和和大大小小，并并不不能能给出具体的原子位置。给出具体的原子位置。Cu(210)面吸氧前后的面吸氧前后的LEED图及图及可能的原子排列可能的原子排列LEED 基本理论及应用基本理论及应用W(100)面吸氢前后的面吸氢前后的LEED图及可能的原子排列。由图及可能的原子排列。由此可以推出其表面结构为此可以推出其表面结构为W(100)()-45o-H。LEED 基本理论及应用基本理论及应用v同步网格同步网格对对于于大大多多数数吸吸附附层层，吸吸附附原原子子紧紧密密地地排排列列在在一一起起。然然而而，某某些些吸吸附附表表面面的的LEED图图案案却却显显示示出出吸吸附附原原子子所所产产生生的的周周期期很很长长。这这时时，吸吸附附层层排列有两种可能：排列有两种可能：吸附分子相互作用距离很远；吸附分子相互作用距离很远；形成同步网格。形成同步网格。LEED 基本理论及应用基本理论及应用氨与氨与W(211)面相互作用后，在某一阶段出现面相互作用后，在某一阶段出现(7 2)衍射图案衍射图案LEED 基本理论及应用基本理论及应用v同同步步网网格格是是吸吸附附原原子子或或分分子子间间相相互互作作用用力力和和吸吸附附原原子子与与基基体体原原子子作作用用力力共共同同作作用用所所导导致致的的吸吸附附层层周周期期与与基基体体周周期期的的分分数数匹匹配配。同同步步网网格格可可用用来来解解释释高高阶阶分分数数点的存在点的存在.LEED 基本理论及应用基本理论及应用v不完善结构的衍射不完善结构的衍射如如果果表表面面原原子子排排列列的的周周期期性性很很完完善善，则则LEED光光点点将将很很尖尖锐锐，并并且且背背景景很很暗暗。如如果果结结构构不不完完善善，则则背背景景亮亮度度增增加加或或出出现现其其他他图图案案。常常见见的的几几种种不不完完善善结结构构的的衍衍射射图图有有如如下下一一些些特特征征：整整个个背背景景增增加加，扩扩散散的的亮亮点点、环环、裂裂开开的的亮亮点点、条纹等。条纹等。LEED 基本理论及应用基本理论及应用氧氧在在Cu(110)面面上上刚刚开开始始吸吸附附时时，氧氧原原子子倾倾向向于于在在100方方向向扩扩散散，形形成成等等距距排排列列的的长长条条，此此时时衍衍射射图图将将出出现现衍衍射射条条纹纹，条条纹纹的的方方向向垂垂直直于于100方方向向，直直到到覆覆盖盖度度较大时，条纹逐渐收缩而形成较大时，条纹逐渐收缩而形成(2 1)衍射斑。衍射斑。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱 低低能能电电子子衍衍射射图图形形提提供供的的只只是是有有关关表表面面周周期期性性的的信信息息，即即元元格格的的大大小小和和形形状状，他他不不能能给给出出有有关关原原子子的的位位置置,表表面面层层与与衬衬底底之之间间的的距距离离和和有有关关元元格格中中原原子子分分布布的的信信息息。例例如如在在立立方方(001)面面上上形形成成C(2 2)结结构构时时，表表层层原原子子相相对对衬衬底底可可以以有有四四种种不不同同的的位位置置，而而表表层层与与衬衬底底顶顶层层的的间间距距则则取决于表层原子取何种位置。取决于表层原子取何种位置。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v为为了了解解决决以以上上这这些些问问题题需需要要分分析析各各级级衍衍射射束束的的强强度度随随入入射射电电子子能能量量的的变变化化。这这种种强强度度-入入射射电电子子能能量量(I-E)曲曲线线称为低能电子衍射谱。称为低能电子衍射谱。v在在实实际际分分析析时时，往往往往是是固固定定入入射射电电子子束束的的方方位位角角，然然后后测测量量某某几几级级衍衍射射束束的的强强度度随随电电子子束束能能量量的的变变化化。再再将将这这些些实实验验数数据据与与根根据据某某种种模模型型计计算算出出来来的的衍衍射射谱谱进进行行比比较较，调调节节原原子子的的位位置置使使二二者者符符合合得得最最好好，即即可可确确定定表面的原子位置。表面的原子位置。v这这种种计计算算相相当当复复杂杂，而而且且结结果果往往往往取取决决于于所所选选的的模模型型和和参数。参数。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v在在纯纯二二维维的的情情况况下下，电电子子不不会会受受垂垂直直方方向向上上的的周周期期势势的的影影响响，这这时时强强度度随随电电子子能能量量的的变变化化是是一一个个单单调调下下降降的函数。的函数。v对对于于纯纯三三维维的的衍衍射射，只只有有当当入入射射束束的的能能量量为为一一定定数数值值时时，才才能能看看到到某某一一衍衍射射束束。对对于于低低能能电电子子衍衍射射，情情况况正好介于二者之间。正好介于二者之间。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v表表面面原原子子对对低低能能电电子子的的散散射射截截面面还还未未大大到到电电子子无无法法穿穿透透表表面面的的原原子子层层，因因此此电电子子在在一一定定程程度度上上还还受受晶晶体体内内部部三三维维周周期期性的影响。性的影响。v电电子子在在衍衍射射过过程程中中还还受受到到多多重重散散射射等等因因素素的的影影响。响。Al(100)表面在正入射时各种表面在正入射时各种(h1h2)衍射束的衍射束的I-E曲线曲线LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v为为精精确确计计算算LEED谱谱的的细细节节，除除需需要要从从理理论论上上计计算算晶晶体体原原子子对对低低能能电电子子的的散散射射外外，还还要要考考虑虑多多次次散散射射、非非弹弹性性碰碰撞撞及及温温度度效效应应等等问问题题。考考虑多重散射的理论称为动力学理论。虑多重散射的理论称为动力学理论。v这这些些问问题题是是很很复复杂杂的的，必必须须做做一一些些假假定定才才能能简简化化计计算算，并并得得到到和和实实际际相相近近的的结结果果。由由于于动动力力学学的的复复杂杂性性，到到1980年年前前后后，只只有有大大约约一一百百多多种表面结构被确定。种表面结构被确定。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱被确定的表面结构可分为六大类：被确定的表面结构可分为六大类：清洁金属表面；清洁金属表面；原子吸附表面；原子吸附表面；半导体化合物和离子化合物表面；半导体化合物和离子化合物表面；半导体元素表面；半导体元素表面；重构的清洁金属表面；重构的清洁金属表面；分子吸附表面。分子吸附表面。前三类表面结构确定的较好，后三类由于结构参数较多，前三类表面结构确定的较好，后三类由于结构参数较多，计算的复杂性和困难程度依次增加。计算的复杂性和困难程度依次增加。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v许许多多清清洁洁金金属属的的表表面面结结构构的的确确定定可可达达到百分之几埃。到百分之几埃。v表表面面原原子子的的第第一一、第第二二层层的的距距离离比比体体内内 受受 缩缩 0.6%，即即0.002nm。Cu(100)面四个衍射束的面四个衍射束的I-E曲线的理论与曲线的理论与实验的比较实验的比较LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱(a)Ni(001)-(2 2)-O的结构的结构(b)预计的预计的Ni(001)-C(2 2)-C结构结构(c)LEED谱计算求出的谱计算求出的Ni(001)-C(2 2)-C实际结构实际结构LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱(a)Fe(110)(2 2)-S结结 构构的的一一种种模模型型(模模型型I)，这这里里只只调调节节层层间间距距，但所得出的键长偏短。但所得出的键长偏短。(b)模模型型II考考虑虑了了基基底底重重构构，并并选选择择合合理理的的键键长。长。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v从从计计算算结结果果与与实实验验曲曲线线的的比比较较看看，模模型型II II的的符符合合程程度度比比模模型型I I好。好。LEED 低能电子衍射谱低能电子衍射谱v目前，目前，LEED分析可达到的极限可能性是：分析可达到的极限可能性是：单元网格面积限于单元网格面积限于2.5nm；同层单元网格内的原子数不超过同层单元网格内的原子数不超过4；纵纵向向尺尺寸寸的的误误差差一一般般在在0.01nm以以内内，横横向向尺尺寸误差在寸误差在0.02nm以内；以内；键键长长误误差差在在 0.0050.02 nm，百百分分误误差差为为210%。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射 反反射射式式高高能能电电子子衍衍射射(RHEED)用用高高能能电电子子(1030keV)作作为为探探测测束束。由由于于高高能能电电子子在在固固体体中中的的穿穿透透深深度度和和非非弹弹性性散散射射自自由由程程都都较较大大，为为测测量量表表面面信信息息，入入射射电电子子采采用用掠掠射射方方式式，即即入入射射束束和和样样品品表表面面的的夹夹角角小小于于5o。在在这这种种能能量量下下，背背弹弹性性散散射射很很弱弱，弹弹性性散散射射主主要要是是在在前前进进方方向向，因因此此衍衍射束也处在掠射方向。射束也处在掠射方向。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射RHEED的结构的结构RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射vRHEED常常配配合合分分子子束束外外延延在在晶晶体体生生长长过过程程中中不断监测结晶的情况。不断监测结晶的情况。v由由于于RHEED对对表表面面有有一一定定的的穿穿透透，故故适适于于研研究究一一些些从从表表面面向向体体内内发发展展的的化化学学吸吸附附和和表表面面反反应应，如如腐腐蚀蚀、氧氧化化、碳碳化化、化化合合物物形形成成等等，以以及及一一些些表表面面组组分分由由表表面面至至内内部部有有所所不不同同的的多多组组分分系系统统，如如材材料料的的硬硬化化、钝钝化化、离离子子注注入入等等过过程所形成的表面。程所形成的表面。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v由由于于入入射射电电子子能能量量很很高高，波波长长很很短短，故故反反射射球球半半径径很很大大，比比倒倒易易晶晶格格基基矢矢长长度度大大40倍倍左左右右。按衍射原理按衍射原理(00)束应取镜面反射方向，如束应取镜面反射方向，如k。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v如如果果反反射射球球或或倒倒易易晶晶格格杆杆有有点点“模模糊糊”，则则荧荧光屏上显的不是一个点而是一条光屏上显的不是一个点而是一条“条纹条纹”。v例如例如:由于入射电子束有一定的发射角由于入射电子束有一定的发射角;能量分散使反射球展宽能量分散使反射球展宽;由由于于声声子子散散射射和和表表面面有有些些无无序序使使倒倒易易晶晶格格杆杆展展宽；宽；RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v由于反射球半径很大，和球面相交的除由于反射球半径很大，和球面相交的除(00)杆外还有杆外还有(01),(01)杆，甚至杆，甚至(02),(02)杆，这些杆将形成相应的衍射条纹。杆，这些杆将形成相应的衍射条纹。如果已知样品至荧光屏的距离为如果已知样品至荧光屏的距离为L，衍衍射条纹之间的距离为射条纹之间的距离为t，则，则|b*|=t/L。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v如如果果保保持持晶晶面面法法线线的的方方向向不不变变，转转动动晶晶体体使使晶晶面面的的经经角角转转动动90o或或其其它它角角度度，就就可可以以测测出出|a*|的的大大小小，从从而而确确定定晶晶面面单单元元的形状和大小。的形状和大小。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v由由于于采采用用掠掠射射方方式式，RHEED对对样样品品制制备备有有很很严严格格的的要要求求，即即样样品品表表面面要要经经过过抛抛光光，并并且且要要求求在在很很大大范范围围内内是是一一平平面面。如如果果表表面面粗粗糙糙，则则针针尖尖或或凸凸起起部部分分将将挡挡住住表表面面的的其其余余部部分分，这这时时电电子子将将穿穿过过凸凸起起部部分分，产产生生体体材材料料的的衍衍射射图图案案，荧荧光光屏屏上上显显示示的的是是一一系系列列光光点点而而不不是是条条纹纹。从从这这个个角角度度来来说说，RHEED对对表表面面十十分分敏敏感感，并并可可用用于于研研究究表表面面的的三维效应，如重的氧化或腐蚀、外延生长。三维效应，如重的氧化或腐蚀、外延生长。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v与与LEED相相比比，RHEED的的荧荧光光屏屏不不需需要要加加高高压压电电源源，因因为为衍衍射射电电子子本本身身有有足足够够大大的的能能量量。荧荧光光屏屏可可做做成成平平面面，一一般般荧荧光光粉粉直直接接涂涂在在观观察察窗窗的的内内壁壁，只只要要有有半半透透明明导导电电层层防防止止电电荷荷积积累累就就可可以以了了。荧荧光光屏屏前前可可以以不不加加能能量量过过滤滤，因因为为在在很很窄窄的的角角度度内内，衍衍射射束束比比非非弹弹性性散散射射电电子子及及次次级级电电子子强强得得多多。RHEED的的电电子子枪枪需需要要耐耐高高压压引线及高压电源，比引线及高压电源，比LEED稍复杂一些。稍复杂一些。RHEED 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射v理理论论上上RHEED比比较较困困难难一一些些，在在研研究究强强度度时时也也要要考考虑虑多多次次散散射射问问题题。在在用用分分波波描描述述离离子子芯芯的的散散射射时时，相相移移数数随随波波数数增增加加，对对RHEED需需要要考考虑虑100个个相相移移。此此外外，对对RHEED来来说说，前前向向散散射射是是主主要要的的。最最近近发发展展的的RHEED新新理理论论认认为为，倒倒易易晶晶格格杆杆“变变宽宽”与与声声子子散散射射有有关关，由由此此推推出出RHEED对对表表面面结结构构如如吸吸附附层层的的吸吸附附位置等很敏感。位置等很敏感。