低能电子能谱(leed)

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1、低能电子能谱(LEED)LowEnergyElectronDiffraction1.1引言1921年Davisson和Germer就研究了电子束在单晶表面的散射现象。并发现了电子的散射不是各向同性的。30年代后，人们开始了低能电子衍射方面的研究。50年代，随着超高真空技术的发展，人们识别到获得清洁表面对观察低能电子衍射图象的重要性，用LEED研究了Ti,Ge,Si,Ni,SiC等的表面原子排列，并开始研究气体在单晶表面的吸附现象。从七十年代开始，开展了LEED强度特性的理论研究，并结合计算机模拟计算，对表面结构进行研究。目前，人们已

2、对一百多种表面结构进行了研究，得到许多表面吸附结构方面的新知识。入射电子的能量通常为20~500eV，对应的波长为0.3~0.05nm。低能电子衍射装置的原理示意图1.2低能电子衍射晶体中的原子对能量在0~500eV范围内的电子有很大的散射截面，入射电子在经受弹性或非弹性散射之前是不能进入晶体很深的。因此，背散射电子中绝大部分是被表面或近表面的原子散射回来的，这就使低能电子衍射成为研究表面结构的一个理想的手段。正是由于晶体原子对低能电子散射的截面很大，使得电子在离开晶体前经受多次散射的几率很大，这种现象称为多重散射。由于多重散射的存

3、在，使低能电子衍射结果的分析变得极为复杂。至今，还不能唯一地根据低能电子衍射数据决定晶体表面原子的排列，这方面的研究仍在继续进行之中。一维衍射栅产生的散射圆锥由于表面原子的散射截面很大，起散射作用的主要是表面第一层原子，作为近似，可按二维散射考虑。对于一维原子链，则相邻原子间的光程差等于波长的整数倍时，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h的圆锥面上。如果荧光屏位于电子枪的同一方，且是以衍射栅为球心的一个球面，则衍射圆锥和荧光屏的交线是一组直线，间距

4、为r/a，r是荧光屏的半径。对于二维网格，设二维网格单元是长方形，x方向间距为a，y方向的间距为b。对垂直入射的情况，在x方向发生衍射的同时，在y方向上也有类似的衍射发生。因此，对二维衍射栅，荧光屏上显示出一组点。对于较复杂的二维晶格，衍射条件为：(ss0)·(pa+qb)=n若电子束垂直入射，则有s·(pa+qb)=n即s·a=h，s·b=k。在二维倒格子中，衍射方程为：(ss0)/=Hhk+NN是垂直于倒易晶格的一个矢量。由衍射方程，可以利用反射图的概念确定衍射方向。由二维倒易晶格和厄华德球确定的衍射方向因为衍射

5、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LEED图案是二维倒易晶格的投影。当入射电子能量改变时，电子波长发生变化，LEED图案随之变化。当电子能量变化时，(00)位置是不变的，这个规律可以用来判断那个斑一点是(00)点，并且可以判断原电子束是否垂直入射。1.3基本理论及应用运动学理论：先考虑一维情况，设有M个原子，则相邻原子散射波的光程差为：＝-2(ss0)·d/λ＝-K·dK为散射矢量。若第j个原子的散射波为：j=Acos[t++j]=Re[Aexpi(t++j)]则合成的散射波

6、为：对于基矢为a,b，每个晶格内有N个原子的二维晶格，有：其中fn为网格内第n个原子的散射因子。定义F为单元网格的结构因子，则总散射波的强度为：即Ka=2h，Kb=2k时，发生衍射极大。结构因子F为：将引起衍射光点的强弱不同，甚至消光。吸附表面的LEED图案：单晶表面吸附气体时，LEED图案将随之变化。改变后的衍射图案反映了吸附原子的排列规律。吸附表面的衍射图案和原单晶面的衍射图案有一定的几何关系。W(100)面吸氧前后的衍射图案及可能的吸附原子在表面的排列。根据这一结果，可以推测氧在W(100)面的排列可能是W(100)(

7、22)-O。对于复杂的情况，吸附面的原子排列可能有多种形式，因为吸附面衍射图只说明吸附原子的单元网格的形状和大小，并不能给出具体的原子位置。Cu(210)面吸氧前后的LEED图及可能的原子排列W(100)面吸氢前后的LEED图及可能的原子排列。由此可以推出其表面结构为W(100)()R45o-H。可以用代数矩阵方法从吸附原子排列求衍射图，也可从衍射图求吸附表面结构。设Ms为描述吸附表面结构的矩阵，Ms*为描述吸附前后衍射图间的联系，则有：同步网格对于大多数吸附层，吸附原子紧密地排列在一起。然而，某些吸附表面的LEED图案却显示出吸

8、附原子所产生的周期很长。这时，吸附层排列有两种可能：吸附分子相互作用距离很远；形成同步网格。氨与W(211)面相互作用后，在某一阶段出现(72)衍射图案同步网格是吸附原子或分子间相互作用力和吸附原子与基体原子作用力共同作用所导致的吸