Б) Дифракция медленных электронов (для исследования поверхности)

Метод дифракции медленных электронов (ДМЭ, англ. – low energy electron diffraction) – это метод исследования структуры поверхности твердых тел, основанный на анализе картин дифракции низкоэнергетических электронов, например, с энергией с энергией 30-200 эВ, упруго рассеянных от исследуемой поверхности. Это наиболее простой способ исследования кристаллической структуры поверхности кристалла.

Использование для анализа поверхности электронов именно низких энергий обусловлено двумя основными причинами:

1. Длина волны де Бройля для электронов с энергией 30 – 200 эВ составляет примерно 0.1 – 0.2 нм, что удовлетворяет условию дифракции на атомных структурах, а именно длина волны равна или меньше межатомных расстояний.

2. Средняя длина пробега таких низкоэнергетических электронов составляет несколько атомных слоев. Вследствие этого большинство упругих рассеяний происходит в самых верхних слоях образца, следовательно, они дают максимальный вклад в картину дифракции.

На рис.1 представлена схема экспериментальной установки для прямого наблюдения картин ДМЭ.

В электронной пушке электроны, испускаемые катодом (находящимся под отрицательным потенциалом -V), ускоряются до энергии eV, а затем движутся и рассеиваются на образце в бесполевом пространстве, поскольку первая сетка дифрактометра и образец заземлены. Вторая и третья сетки, находящиеся под потенциалом –(V-DV), cлужат для отсечения неупруго рассеянных электронов. Четвертая сетка заземлена и эранирует другие сетки от флюоресцентного экрана, находящегося под потенциалом около +5 кВ. Таким образом, электроны, упруго рассеянные на поверхности образца, после прохождения тормозящих сеток ускоряются до высоких энергий, чтобы вызвать флюоресценцию экрана, на котором и наблюдается дифракционная картина.

Метод ДМЭ позволяет:

качественно оценить структурное совершенство поверхности - от хорошо упорядоченной поверхности наблюдается картина ДМЭ с четкими яркими рефлексами и низким уровнем фона;
определить обратную решетку поверхности из геометрии дифракционной картины;
оценить морфологию поверхности по профилю дифракционного рефлекса;
определить атомную структуру поверхности путем сравнения зависимостей интенсивности дифракционных рефлексов от энергии электронов (I-V кривых), рассчитанных для структурных моделей, с зависимостями, полученными в эксперименте.

С помощью ДМЭ установлено, что расположение атомов на поверхности полупроводников отличается от их расположения в объеме, причем периоды трансляции на поверхности могут быть намного больше, чем в объеме. На электронограммах это проявляется в виде дополнительных рефлексов (рис.6). Так, поверхность Si, очищенная в сверхвысоком вакууме ионной бомбардировкой с последующим отжигом, имеет элементарную ячейку, в 7 раз большую, чем в плоскостях (111) объема. Такая структура обозначается как Si (111) – 7x7.

Наряду с ДМЭ используют дифракцию быстрых электронов (ДБЭ) на отражение. Энергия электронов составляет (5 - 10) кэВ, пучок падает на поверхность под малым углом, чтобы обеспечить дифракцию на поверхности. Этот метод применяют в ПЭМ, получая изображение и картину дифракции. Метод ДБЭ более чувствителен к микрорельефу поверхности, чем метод ДМЭ.