[科普中國]-反射式高能電子衍射裝置

反射式高能電子衍射裝置(RHEED)是MBE設(shè)備上的一個十分重要的部件，用它可在生長的原位觀察樣品表面的清潔度、平整度、表面結(jié)構(gòu)，通過觀察到的曲線確定生長情況。

簡介RHEED（反射高能電子衍射儀）是觀察晶體生長最重要的實時監(jiān)測工具之一。它可以通過非常小的掠射角將能量為10～30KeV的單能電子掠射到晶體表面，通過衍射斑點(diǎn)獲得薄膜厚度，組分以及晶體生長機(jī)制等重要信息。 因此反射高能電子衍射儀已成為MBE、PLD等系統(tǒng)中監(jiān)測薄膜表面形貌的一種標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。

基本原理電子束不能穿透大塊晶體，對較厚樣品的表面結(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和測定。

2、RHEED所用的加速電壓為10k-1000k eV，所對應(yīng)的波長對分析薄膜的結(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(見圖)，入射電子與表面垂直的動量很小，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可以在生長的過程中實時監(jiān)測晶體的表面原子結(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)代外延生長技術(shù)中不可缺少的表面分析評價手段。1

儀器結(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狀況。2

應(yīng)用

用RHEED可做樣品表面動態(tài)觀測，進(jìn)行晶體生長動力學(xué)過程研究，還可進(jìn)行表面原子結(jié)構(gòu)的分析、晶格常數(shù)測定，并可通過衍射圖樣分析晶體缺陷，以對外延膜進(jìn)行評價。

通過RHEED圖像，我們可以得到很多有用的信息:

1、清潔樣品表面和有序吸附層等的結(jié)構(gòu)分析

如果RHEED圖像是條紋，則說明樣品表面原子排列的比較有序，樣品表面是非常平整的；如果RHEED圖像是點(diǎn)狀的，則說明樣品表面不是非常平整，有局部的突起；如果RHEED圖像是模糊不清的，則說明樣品表面是粗糙的，電子束已經(jīng)被多次散射。

2、判別單晶和多晶

一般來說，對于RHEED圖像是條紋和點(diǎn)狀的，我們可以判斷樣品是單晶的；如果RHEED圖像是環(huán)狀的，則樣品是多晶的。

3、確定樣品表面重構(gòu)，確定薄膜的構(gòu)成

不同樣品平整表面的RHEED圖像條紋的間距是不同的，由于RHEED圖像是晶體點(diǎn)陣在侄l易空間的衍射投影，晶格常數(shù)大的其RHEED條紋間距要比晶格常數(shù)小的衍射條紋小。1

晶體的監(jiān)測

在晶體生長的監(jiān)控過程中，對圖案的判讀可以有效地確定晶體生長的狀態(tài)以及生長的模式。若襯底為較理想的晶體平面，對應(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)級的條紋或者分?jǐn)?shù)級的勞厄環(huán)，則說明襯底表面出現(xiàn)了重構(gòu)現(xiàn)象隨著材料生長，晶體表面變得粗糙不平，對應(yīng)花樣上條紋逐漸模糊當(dāng)晶體生長到一定階段，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，對應(yīng)的厄瓦德球面可能不是一個幾何球面，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。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)