[科普中國(guó)]-高能電子衍射裝置

高能電子衍射是高能電子衍射的一種工作模式。它將能量為10～50keV的單能電子掠射 (1°～3°)到晶體表面，在向前散射方向收集電子束，或?qū)⒀苌涫@示于熒光屏。

基本原理電子束不能穿透大塊晶體，對(duì)較厚樣品的表面結(jié)構(gòu)研究，可以使用反射電子衍射方法。

其特點(diǎn)是:

1、一束直徑較細(xì)的高能電子束照射到被分析樣品表面，通過表面反射而形成電子衍射圖象，可以進(jìn)行傳統(tǒng)的X射線衍射分析所不能完成的樣品表面晶體結(jié)構(gòu)及薄膜方向等的觀測(cè)和測(cè)定。

2、RHEED所用的加速電壓為10k-1000k eV，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)對(duì)分析薄膜的結(jié)晶性非常有利，可以獲得較多樣品表面的微結(jié)構(gòu)信息，如表面重構(gòu)、生長(zhǎng)模式、晶相和晶質(zhì)等。

3、由于高能電子束以幾乎平行于被分析樣品表面的一極小的角入射，入射電子與表面垂直的動(dòng)量很小，這樣電子只能與樣品表面的幾層甚至是一層原子的晶格發(fā)生作用，所以通過衍射像可以顯示表面原子排列的特征。

RHEED可以在生長(zhǎng)的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶體的表面原子結(jié)構(gòu)，晶體的表面形態(tài)，并可以分析表面的重.構(gòu)情況。它己經(jīng)成為現(xiàn)代外延生長(zhǎng)技術(shù)中不可缺少的表面分析評(píng)價(jià)手段。

歷史背景1927年，C.J.戴維孫和L.H.革末在觀察鎳單晶表面對(duì)能量為100電子伏的電子束進(jìn)行散射時(shí),發(fā)現(xiàn)了散射束強(qiáng)度隨空間分布的不連續(xù)性，即晶體對(duì)電子的衍射現(xiàn)象。幾乎與此同時(shí)，G.P.湯姆孫和A.里德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時(shí),也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了L.V.德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

裝置結(jié)構(gòu)高能電子衍射裝置是由高能電子槍和熒光屏兩部分組成，從電子槍發(fā)射出來的具有一定能量的電子束略入射到樣品表面，電子束的透入深度僅1到2個(gè)原子層，所以這種技術(shù)所反映的完全是樣品表面的結(jié)構(gòu)信息。根據(jù)布拉格衍射定律，衍射角和晶格結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，所以觀察衍射的圖像就能夠分析出表面的生長(zhǎng)狀況。1

晶體的檢測(cè)

在晶體生長(zhǎng)的監(jiān)控過程中，對(duì)圖案的判讀可以有效地確定晶體生長(zhǎng)的狀態(tài)以及生長(zhǎng)的模式。若襯底為較理想的晶體平面，對(duì)應(yīng)陰花樣上為一系列等間距排列的條紋，或者沿圓弧排列的點(diǎn)，即所謂的勞厄環(huán)如果出現(xiàn)分?jǐn)?shù)級(jí)的條紋或者分?jǐn)?shù)級(jí)的勞厄環(huán)，則說明襯底表面出現(xiàn)了重構(gòu)現(xiàn)象隨著材料生長(zhǎng)，晶體表面變得粗糙不平，對(duì)應(yīng)花樣上條紋逐漸模糊當(dāng)晶體生長(zhǎng)到一定階段，表面成島或者較大的突起，花樣上出現(xiàn)按一定規(guī)律規(guī)則排布的斑點(diǎn)，即為透射式衍射花樣。在系統(tǒng)中，高能電子束以很小的入射角掠入射至晶體表面，一旦表面成島，則電子束將不僅僅在晶體表面反射，而是島中透射穿過，形成的散射束投射在熒光屏上形成透射式衍射花樣。此時(shí)的衍射花樣將直接反映出島內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，是倒易空間格點(diǎn)的分布另外由于電子束能量的彌散，對(duì)應(yīng)的厄瓦德球面可能不是一個(gè)幾何球面，而是一系列連續(xù)半徑變化的球面形成的球殼，只要在球殼中存在的倒易格點(diǎn)都可能反映在衍射花樣上。2

應(yīng)用電子衍射和X射線衍射一樣，可以用來作物相鑒定、測(cè)定晶體取向和原子位置。由于電子衍射強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于X射線，電子又極易為物體所吸收，因而電子衍射適合于研究薄膜、大塊物體的表面以及小顆粒的單晶。此外，在研究由原子序數(shù)相差懸殊的原子構(gòu)成的晶體時(shí)，電子衍射較X射線衍射更優(yōu)越些。會(huì)聚束電子衍射的特點(diǎn)是可以用來測(cè)定晶體的空間群（見晶體的對(duì)稱性）。

采用波長(zhǎng)小于或接近于其點(diǎn)陣常數(shù)的電子束照射晶體樣品，由于入射電子與晶體內(nèi)周期地規(guī)則排列的原子的交互作用，晶體將作為二維或三維光柵產(chǎn)生衍射效應(yīng)，根據(jù)由此獲得的衍射花樣研究晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，稱為電子衍射。這是1927年分別由戴維孫(C.T.Davison)和革末(L.H.Germer),以及湯姆孫(G.P.Thomson)獨(dú)立完成的著名實(shí)驗(yàn)。和X射線衍射一樣，電子衍射也遵循勞厄(M.vonLaue)方程或布喇格(W.L.Bragg)方程。由于電子與物質(zhì)的交互 電子衍射作用遠(yuǎn)比X射線與物質(zhì)的交互作用強(qiáng)烈，因而在金屬和合金的微觀分析中特別適用于對(duì)含少量原子的樣品，如薄膜、微粒、表面等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

三維晶體點(diǎn)陣的電子衍射能量高于100keV、波長(zhǎng)小于0.037埃的電子束在物質(zhì)中的穿透能力約為0.1μm，相當(dāng)于幾百個(gè)原子層。如果以這樣的高能電子束作為入射源，則可以從薄膜或微粒的樣品中獲得表征三維晶體點(diǎn)陣的電子衍射花樣。 在電子顯微鏡中，根據(jù)入射電子束的幾何性質(zhì)不同，相應(yīng)地有兩類衍射技術(shù)。一類是選區(qū)電子衍射或微衍射，它以平行的電子束作為入射源；另一類是會(huì)聚束電子衍射(convergentbeamdiffraction),它以具有一定會(huì)聚角（一般在±4°以內(nèi)）的電子束作為入射源。目前這兩類技術(shù)都有很大發(fā)展，并具有各自不同的專門用途。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)