Отражение дифракции электронов высоких энергий - Reflection high-energy electron diffraction

Отражение дифракции электронов высоких энергий (RHEED) это техника используется для характеристики поверхности кристаллический материалы. Системы RHEED собирают информацию только с поверхностного слоя образца, что отличает RHEED от других характеристика материалов методы, которые также основаны на дифракции высокоэнергетических электроны. Просвечивающая электронная микроскопия, еще один общий электронная дифракция Метод отбирает основную часть образца из-за геометрии системы. Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED) также является поверхностно-чувствительным, но LEED достигает поверхностной чувствительности за счет использования электронов с низкой энергией.

Вступление

Для системы RHEED требуется источник электронов (пушка), фотолюминесцентный детекторный экран и образец с чистой поверхностью, хотя современные системы RHEED имеют дополнительные детали для оптимизации технологии.^[1][2] Электронная пушка генерирует пучок электронов, падающих на образец под очень малым углом по отношению к поверхности образца. Падающие электроны дифрагируют от атомов на поверхности образца, и небольшая часть дифрагированных электронов конструктивно интерферирует под определенными углами и формирует регулярные узоры на детекторе. Электроны интерферируют в соответствии с положением атомов на поверхности образца, поэтому дифракционная картина на детекторе является функцией поверхности образца. На Рисунке 1 показана самая простая установка системы ДБО.

Рисунок 1. Систематическая установка компонентов электронной пушки, образца и детектора / ПЗС системы ДБЭО. Электроны следуют по пути, указанному стрелкой, и подходят к образцу под углом θ. Поверхность образца дифрагирует электроны, и некоторые из этих дифрагированных электронов достигают детектора и образуют картину ДБЭО. Отраженный (зеркальный) луч следует по пути от образца до детектора.

Дифракция на поверхности

В установке ДБЭО только атомы на поверхности образца вносят вклад в картину ДБЭО.^[3] Скользящий угол падающих электронов позволяет им покинуть основную массу образца и достичь детектора. Атомы на поверхности образца дифрагируют (рассеивают) падающие электроны из-за волнообразных свойств электронов.

Дифрагированные электроны конструктивно интерферируют под определенными углами в соответствии с кристаллической структурой и расстоянием между атомами на поверхности образца и длиной волны падающих электронов. Некоторые электронные волны, создаваемые конструктивной интерференцией, сталкиваются с детектором, создавая определенные дифракционные картины в соответствии с характеристиками поверхности образца. Пользователи характеризуют кристаллографию поверхности образца с помощью анализа дифракционных картин. На рисунке 2 показан образец ДБЭ. На видео 1 изображен метрологический прибор, регистрирующий колебания интенсивности ДБЭО и скорость осаждения для контроля и анализа процесса.

фигура 2. Картина ДБЭО, полученная при дифракции электронов от чистой поверхности TiO2 (110). Яркие точки указывают, где много электронов достигает детектора. Наблюдаемые линии - это линии Кикучи.

Два типа дифракции вносят вклад в картины ДБЭ. Некоторые падающие электроны претерпевают одиночный, упругое рассеяние событие на поверхности кристалла, процесс, называемый кинематическим рассеянием.^[1] Динамическое рассеяние происходит, когда электроны претерпевают несколько актов дифракции в кристалле и теряют часть своей энергии из-за взаимодействия с образцом.^[1] Пользователи извлекают некачественные данные из кинематически дифрагированных электронов. Эти электроны составляют пятна или кольца высокой интенсивности, общие для диаграмм ДБЭ. Пользователи RHEED также анализируют динамически рассеянные электроны с помощью сложных методов и моделей для сбора количественной информации из паттернов RHEED.^[3]

Кинематический анализ рассеяния

Пользователи RHEED создают Сферы Эвальда для определения кристаллографических свойств поверхности образца. Сферы Эвальда показывают разрешенные условия дифракции для кинематически рассеянных электронов в данной установке ДБЭО. Дифракционная картина на экране связана с геометрией сферы Эвальда, поэтому пользователи ДБЭО могут напрямую рассчитать обратную решетку образца с помощью шаблона ДБЭО, энергию падающих электронов и расстояние от детектора до образца. Пользователь должен соотнести геометрию и расстояние между пятнами идеального рисунка со сферой Эвальда, чтобы определить обратную решетку поверхности образца.

Анализ сферы Эвальда аналогичен анализу объемных кристаллов, однако обратная решетка для образца отличается от таковой для трехмерного материала из-за поверхностной чувствительности процесса ДБЭО. Обратные решетки объемных кристаллов состоят из набора точек в трехмерном пространстве. Однако только первые несколько слоев материала вносят вклад в дифракцию в ДБЭО, поэтому нет условий дифракции в размере, перпендикулярном поверхности образца. Из-за отсутствия третьего условия дифракции обратная решетка поверхности кристалла представляет собой серию бесконечных стержней, проходящих перпендикулярно поверхности образца.^[4] Эти стержни берут начало в точках традиционной двумерной обратной решетки на поверхности образца.

Сфера Эвальда центрируется на поверхности образца с радиусом, равным величине волнового вектора падающих электронов,

${\displaystyle k_{i}={\frac {2\pi }{\lambda }}}$,

где λ - электроны длина волны де Бройля.

Рисунок 3. Построение сферы Эвальда для упругой дифракции в ДБЭ. Радиус сферы Эвальда равен величине волнового вектора падающего электрона k_я, которая заканчивается в начале двумерной обратной решетки. Волновой вектор уходящего электрона k_гл соответствует разрешенному условию дифракции, а разность между компонентами, параллельными поверхности двух волновых векторов, составляет вектор обратной решетки G_гл.

Условия дифракции выполняются там, где стержни обратной решетки пересекают сферу Эвальда. Следовательно, величина вектора от начала сферы Эвальда до пересечения любых стержней обратной решетки равна величине падающего луча. Это выражается как

${\displaystyle |k_{hl}|=|k_{i}|}$ (2)

Здесь k_гл - волновой вектор упруго дифрагированных электронов порядка (hl) на любом пересечении стержней обратной решетки со сферой Эвальда

Проекции двух векторов на плоскость поверхности образца отличаются на вектор обратной решетки G_гл,

${\displaystyle G_{hl}=k_{hl}^{||}-k_{i}^{||}}$ (3)

На рисунке 3 показано построение сферы Эвальда и приведены примеры G, k_гл и k_я векторы.

Многие стержни обратной решетки удовлетворяют условию дифракции, однако система ДБЭО спроектирована таким образом, что на детектор попадают только дифракции низкого порядка. Диаграмма ДБЭО на детекторе представляет собой проекцию только k векторов, которые находятся в пределах углового диапазона, в котором находится детектор. Размер и положение детектора определяют, какие из дифрагированных электронов находятся в пределах углового диапазона, который достигает детектора, поэтому геометрия диаграммы ДБЭО может быть связана с геометрией обратной решетки поверхности образца посредством использования тригонометрических соотношений и расстояние от образца до детектора.

Векторы k помечены так, что вектор k00, образующий наименьший угол с поверхностью образца, называется пучком 0-го порядка.^[3] Луч 0-го порядка также известен как зеркальный луч. Каждое последующее пересечение стержня и сферы дальше от поверхности образца обозначается как отражение более высокого порядка. Из-за того, как расположен центр сферы Эвальда, зеркальный луч образует тот же угол с подложкой, что и падающий электронный луч. Зеркальная точка имеет наибольшую интенсивность на образце ДБЭ и условно обозначена точкой (00).^[3] Другие точки на шаблоне RHEED индексируются в соответствии с порядком отражения, который они проецируют.

Радиус сферы Эвальда намного больше, чем расстояние между стержнями обратной решетки, потому что падающий луч имеет очень короткую длину волны из-за его высокоэнергетических электронов. Ряды стержней обратной решетки фактически пересекают сферу Эвальда как приблизительную плоскость, потому что идентичные ряды параллельных стержней обратной решетки располагаются непосредственно перед и позади показанного единственного ряда.^[1] На рис. 3 показано поперечное сечение одного ряда стержней обратной решетки, заполняющего условия дифракции. Стержни обратной решетки на рисунке 3 показывают конец этих плоскостей, которые перпендикулярны экрану компьютера на рисунке.

Пересечения этих эффективных плоскостей со сферой Эвальда образуют круги, называемые кругами Лауэ. Шаблон RHEED представляет собой набор точек по периметру концентрических окружностей Лауэ вокруг центральной точки. Однако интерференционные эффекты между дифрагированными электронами по-прежнему дают сильные интенсивности в отдельных точках на каждом круге Лауэ. На рисунке 4 показано пересечение одной из этих плоскостей со сферой Эвальда.

Рисунок 4. Дифракция от ряда атомов круг Лауэ на поверхности сферы Эвальда. Стержни обратной решетки расположены настолько близко друг к другу, что составляют плоскость, пересекающую сферу. На периметре круга Лауэ выполнены условия дифракции. Все векторы равны падающему вектору k.

Азимутальный угол влияет на геометрию и интенсивность диаграмм ДББО.^[4] Азимутальный угол - это угол, под которым падающие электроны пересекают упорядоченную кристаллическую решетку на поверхности образца. Большинство систем RHEED оснащены держателем образца, который может вращать кристалл вокруг оси, перпендикулярной поверхности образца. Пользователи RHEED вращают образец для оптимизации профилей интенсивности узоров. Пользователи обычно индексируют по крайней мере 2 сканирования RHEED под разными азимутальными углами для надежного определения структуры поверхности кристалла.^[4] На рис. 5 представлена ​​схематическая диаграмма падения электронного пучка на образец под разными азимутальными углами.

Рисунок 5. Падающий электронный пучок падает на идентичную структуру поверхности под разными азимутальными углами в а) и б). Образец виден сверху на рисунке, а точки соответствуют стержням обратной решетки, выходящим за пределы экрана. Диаграмма ДББО будет разной для каждого азимутального угла.

Иногда пользователи вращают образец вокруг оси, перпендикулярной поверхности отбора проб во время экспериментов ДББО, чтобы создать шаблон ДББО, называемый азимутальным графиком.^[4] Вращение образца изменяет интенсивность дифрагированных лучей из-за их зависимости от азимутального угла.^[5] Специалисты RHEED характеризуют морфологию пленок, измеряя изменения в интенсивности луча и сравнивая эти изменения с теоретическими расчетами, которые могут эффективно моделировать зависимость интенсивности дифрагированных лучей от азимутального угла.^[5]

Анализ динамического рассеяния

Динамически или неупруго рассеянные электроны также предоставляют несколько типов информации об образце. Яркость или интенсивность в точке детектора зависит от динамического рассеяния, поэтому весь анализ, связанный с интенсивностью, должен учитывать динамическое рассеяние.^[1][3] Некоторые неупруго рассеянные электроны проникают в объемный кристалл и удовлетворяют условиям дифракции Брэгга. Эти неупруго рассеянные электроны могут достигать детектора и давать картины дифракции кикучи, которые полезны для расчета условий дифракции.^[3] Картины Кикучи характеризуются линиями, соединяющими интенсивные дифракционные точки на картине ДБЭ. На рисунке 6 показан образец ДБЭ с видимым Линии Кикучи.

Рисунок 6. Образец RHEED от TiO₂ (110) поверхность с видимыми линиями Кикучи. Линии Кикучи проходят через круги Лауэ и, кажется, исходят из центра узора.

Системные требования RHEED

Электронная пушка

В электронная пушка является одним из наиболее важных элементов оборудования в системе RHEED.^[1] Пистолет ограничивает разрешающую способность и пределы тестирования системы. Вольфрам филаменты являются основным источником электронов для электронной пушки большинства систем ДБЭО из-за низкого рабочая функция вольфрама. В типичной установке вольфрамовая нить накала является катодом, а положительно смещенный анод отводит электроны от кончика вольфрамовой нити.^[1]

Величина смещения анода определяет энергию падающих электронов. Оптимальное смещение анода зависит от типа желаемой информации. При больших углах падения электроны с высокой энергией могут проникать через поверхность образца и ухудшать поверхностную чувствительность прибора.^[1] Однако размеры Зоны Лауэ пропорциональны обратному квадрату энергии электронов, что означает, что больше информации регистрируется в детекторе при более высоких энергиях падающих электронов.^[1] Для общей характеристики поверхности электронная пушка работает в диапазоне 10-30 кэВ.^[3]

В типичной установке RHEED одно магнитное и одно электрическое поле фокусируют падающий пучок электронов.^[1] Отрицательно смещенный электрод Венельта, расположенный между катодной нитью накала и анодом, создает небольшое электрическое поле, которое фокусирует электроны, когда они проходят через анод. Регулируемая магнитная линза фокусирует электроны на поверхности образца после того, как они проходят через анод. Типичный источник ДБЭО имеет фокусное расстояние около 50 см.^[3] Луч фокусируется в минимально возможную точку детектора, а не на поверхность образца, так что дифракционная картина имеет наилучшее разрешение.^[1]

Люминофорные экраны, проявляющие фотолюминесценцию, широко используются в качестве детекторов. Эти детекторы излучают зеленый свет из областей, где электроны попадают на их поверхность, а также являются общими для ПЭМ. Экран детектора полезен для выравнивания рисунка до оптимального положения и интенсивности. ПЗС-камеры фиксируют шаблоны для цифрового анализа.

Поверхность образца

Поверхность образца должна быть очень чистой для эффективных экспериментов ДББО. Загрязнения на поверхности образца мешают прохождению электронного луча и ухудшают качество изображения ДБЭ. Пользователи RHEED используют два основных метода для создания чистых поверхностей образцов. Небольшие образцы можно расколоть в вакуумной камере перед анализом ДБЭО.^[6] Анализируется вновь обнаженная, сколотая поверхность. Большие образцы или образцы, которые нельзя расщепить перед анализом ДБЭО, можно покрыть слоем пассивного оксида перед анализом.^[6] Последующая термообработка под вакуумом камеры ДББО удаляет оксидный слой и обнажает чистую поверхность образца.

Требования к вакууму

Поскольку молекулы газа дифрагируют электроны и влияют на качество электронной пушки, эксперименты RHEED проводятся в вакууме. Система ДББО должна работать при достаточно низком давлении, чтобы предотвратить значительное рассеяние электронных лучей молекулами газа в камере. При энергии электронов 10 кэВ давление в камере 10⁻⁵ мбар или ниже необходимо для предотвращения значительного рассеяния электронов фоновым газом.^[6] На практике системы RHEED работают в условиях сверхвысокого вакуума. Давление в камере сведено к минимуму, насколько это возможно, чтобы оптимизировать процесс. Условия вакуума ограничивают типы материалов и процессов, которые можно контролировать на месте с помощью RHEED.

RHEED образцы реальных поверхностей

Предыдущий анализ был сосредоточен только на дифракции от идеально плоской поверхности кристалла. Однако неплоские поверхности добавляют дополнительные условия дифракции к анализу ДБЭО.

Штриховые или удлиненные пятна являются обычным явлением для рисунков RHEED. Как показано на рис. 3, стержни обратной решетки с низшими порядками пересекают сферу Эвальда под очень малыми углами, поэтому пересечение стержней и сферы не является особой точкой, если сфера и стержни имеют толщину. Падающий пучок электронов расходится, и электроны в пучке имеют диапазон энергий, поэтому на практике сфера Эвальда не может быть бесконечно тонкой, как это теоретически моделируется. Стержни обратной решетки также имеют конечную толщину, причем их диаметр зависит от качества поверхности образца. Полосы появляются на месте идеальных точек, когда расширенные стержни пересекают сферу Эвальда. Условия дифракции выполняются по всему пересечению стержней со сферой, что дает удлиненные точки или «полосы» вдоль вертикальной оси диаграммы ДБЭ. В реальных случаях полосатые узоры ДБЭ указывают на плоскую поверхность образца, в то время как расширение полос указывает на небольшую область когерентности на поверхности.

Рисунок 7. Полосатый узор ДББ от TiO₂ (110) поверхность. Образец имел террасную поверхность, которая вызывала заметные полосы по сравнению с рисунком ДБЭО от плоского TiO2.₂ (110) поверхность, показанная выше.

Поверхностные элементы и поликристаллические поверхности добавляют сложности или изменяют рисунки ДБО по сравнению с идеально плоскими поверхностями. Рост пленок, зародышеобразование частиц, двойникование кристаллов, зерна различного размера и адсорбированные частицы добавляют сложные условия дифракции к условиям идеальной поверхности.^[7][8] Наложение рисунков на подложке и гетерогенных материалах, сложные интерференционные картины и ухудшение разрешения характерны для сложных поверхностей или поверхностей, частично покрытых гетерогенными материалами.

Специализированные методы RHEED

Рост пленки

RHEED - чрезвычайно популярный метод контроля роста тонких пленок. В частности, RHEED хорошо подходит для использования с молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), процесс, используемый для формирования высококачественных ультрачистых тонких пленок в условиях сверхвысокого вакуума.^[9] Интенсивность отдельных пятен на картине ДБЭ периодически колеблется в результате относительного покрытия поверхности растущей тонкой пленки. На рисунке 8 показан пример флуктуации интенсивности в одной точке ДБЭ во время роста МЛЭ.

Рисунок 8. Кривая представляет собой грубую модель флуктуации интенсивности отдельной точки ДБЭО во время осаждения МЛЭ. Каждый пик представляет собой формирование нового монослоя. Поскольку степень порядка максимальна после формирования нового монослоя, пятна на дифракционной картине имеют максимальную интенсивность, поскольку максимальное количество дифракционных центров нового слоя вносит вклад в дифрагированный луч. Общая интенсивность колебаний падает по мере роста количества слоев. Это связано с тем, что электронный луч был сфокусирован на исходной поверхности и терял фокус по мере роста количества слоев. Обратите внимание, что эта фигура представляет собой всего лишь модель, аналогичную по форме тем, которые используются экспертами по выращиванию пленки.

Каждый полный период соответствует образованию тонкой пленки с одним атомным слоем. Период колебаний сильно зависит от системы материалов, энергии электронов и угла падения, поэтому исследователи получают эмпирические данные для корреляции колебаний интенсивности и покрытия пленки перед использованием ДБЭО для мониторинга роста пленки.^[6]

На видео 1 изображен метрологический прибор, регистрирующий колебания интенсивности ДБЭО и скорость осаждения для контроля и анализа процесса.

Воспроизвести медиа

Видео 1: Колебания RHEED в аналитической системе RHEED kSA 400

RHEED-TRAXS

Дифракция электронов высоких энергий в отражении - полный угол отражения Рентгеновская спектроскопия - это метод контроля химического состава кристаллов.^[10] RHEED-TRAXS анализирует спектральные линии рентгеновского излучения, испускаемые кристаллом в результате столкновения электронов из пушки RHEED с поверхностью.

RHEED-TRAXS предпочтительнее рентгеновского микроанализа (XMA) (например, EDS и WDS ), поскольку угол падения электронов на поверхность очень мал, обычно менее 5 °. В результате электроны не проникают глубоко в кристалл, а это означает, что рентгеновское излучение ограничивается верхней частью кристалла, что позволяет в реальном времени контролировать стехиометрию поверхности на месте.

Экспериментальная установка довольно проста. Электроны стреляют в образец, вызывая рентгеновское излучение. Эти рентгеновские лучи затем обнаруживаются с помощью кремний -литий Кристалл Si-Li помещен сзади бериллий окна, используемые для поддержания вакуума.

MCP-RHEED

MCP-RHEED - это система, в которой электронный луч усиливается микроканальная пластина (МКП). Эта система состоит из электронная пушка и МКП с флуоресцентный экран напротив электронной пушки. Благодаря усилению интенсивность электронного пучка может быть уменьшена на несколько порядков, а повреждение образцов уменьшено. Этот метод используется для наблюдения за ростом изолятор кристаллы, такие как органический фильмы и галогенид щелочного металла пленки, которые легко повреждаются электронными лучами.^[11]

Рекомендации

1. Ичимия А. и Коэн П. И. (2004). Отражение Дифракция электронов высоких энергий. Издательство Кембриджского университета: Кембридж, Великобритания. С. 1, 13, 16, 98, 130, 161. ISBN  0-521-45373-9.
2. Horio Y; Хашимото Ю. и Ишимая А. (1996). «Новый тип аппаратов ДББО с энергетическим фильтром». Appl. Серфинг. Наука. 100: 292–6. Bibcode:1996ApSS..100..292H. Дои:10.1016/0169-4332(96)00229-2.
3. Браун В. (1999). Прикладной ДБЭО: дифракция электронов высоких энергий в процессе роста кристаллов. Springer-Verlag: Берлин. С. 14–17, 25, 75. ISBN  3-540-65199-3.
4. Oura K; Лифшиц В Г; Саранин А А; Зотов А. В., Катаяма М. (2001). Наука о поверхности: введение. Springer-Verlag: Берлин. С. 59–65. ISBN  3-540-00545-5.
5. Митура З. и Максим П.А. (1993). «Анализ азимутальных графиков дифракции отраженных электронов высоких энергий». Phys. Rev. Lett. 70 (19): 2904–2907. Bibcode:1993ПхРвЛ..70.2904М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.70.2904. PMID  10053683.
6. Добсон П. Дж. (1988). Хауи А; Валдре У (ред.). Определение характеристик поверхности и границ раздела электронно-оптическими методами. Пленум Пресс: Нью-Йорк. С. 159–193. ISBN  0-306-43086-X.
7. Божович I; Экштейн Дж. Н. и Божович Н. (2001). Auceillo O & Krauss AR (ред.). Определение характеристик тонких пленок в реальном времени in situ. Джон Уайли и сыновья: Нью-Йорк. С. 29–56. ISBN  0-471-24141-5.
8. Брюэр R T; Hartman JW; Groves J R; Arendt P N; Яшар П.С. и Этуотер Х.А. (2001). «Анализ кривой качания Рида в плоскости двухосно-текстурированных поликристаллических пленок MgO на аморфных подложках, выращенных методом ионно-лучевого осаждения». Appl. Серфинг. Наука. 175 (1–2): 691–696. Bibcode:2001ApSS..175..691B. Дои:10.1016 / S0169-4332 (01) 00106-4.
9. Atwater H A; Ahn C C; Wong S S; Он G; Йошино Х. и Никзад С. (1997). «Рид и катушки с энергетической фильтрацией для анализа в реальном времени во время роста пленки». Серфинг. Rev. Lett. 4 (3): 525. Bibcode:1997SRL ..... 4..525A. Дои:10.1142 / S0218625X9700050X.
10. Хасэгава, Сюдзи; Ино, Сёдзо; Ямамото, Юити; Даймон, Хироши (1985). "Химический анализ поверхности методом рентгеновской спектроскопии полного угла отражения в экспериментах RHEED (RHEED-TRAXS)". Японский журнал прикладной физики. 24 (6): L387 – L390. Bibcode:1985JaJAP..24L.387H. Дои:10.1143 / JJAP.24.L387.
11. Saiki K; Коно Т; Уэно К и Кома А (2000). «Высокочувствительное измерение дифракции электронов высоких энергий на отражение с использованием микроканальной пластины формирования изображения». Rev. Sci. Instrum. 71 (9): 3478. Bibcode:2000RScI ... 71.3478S. Дои:10.1063/1.1287625.

дальнейшее чтение

• Введение в RHEED, A.S. Арро, Ультратонкие магнитные структуры I, Springer-Verlag, 1994, с. 177–220
• Обзор геометрических основ RHEED применительно к кремниевым поверхностям, Джон Э. Махан, Кент М. Гейб, Г.Ю. Робинсон и Роберт Дж. Лонг, J.V.S.T., A 8, 1990, стр. 3692–3700