探究低能电子衍射的特性及应用

低能电子衍射（LEED）用于研究晶体清洁表面结构和表面吸附层结构。

低能电子衍射使用能量为30～1000eV的电子束，弹性散射的平均电子自由程仅0.4～2nm，是几个原子层的厚度。因此，与其他表面技术相比，它真实反映了晶体的表面结构。

晶体表面结构可看作为一个二维点阵，最小的单元记为元胞，元胞的周期性重复构成整个点阵。二维点阵共有五种布拉菲晶格结构，如图9-7所示。二维点阵用米勒指数（hk）来标注原子列（图9-8），原子间距为

图9-7 五种布拉菲晶格结构

晶体表面结构不同于晶体体积内部的周期性结构。这是因为当一个清洁的晶体表面生成时，一维方向上的结合价键发生断裂，在表层产生了力的不平衡，因而表面原子发生重组，以降低能量组态，吸附的表面层常有自己的结构。表面结构可分为与体积内部结构匹配和不匹配型。匹配型表面结构可用体积内部的晶胞参数来描述其点阵结构，如fcc（100）P（2×2），表面晶体是面心立方的（100面），表面结构是正方点阵，且二维点阵常数是基体点阵常数的2倍。这种结构称为2×2结构，还有3×1、5×1、4×4结构等。P是晶体符号，表示元胞，面心点阵用C表示。

二维倒易点与三维倒易点阵的定义一样，但这里考虑的是原子列，不是晶面。倒易矢量g垂直于相应的原子列，其大小也与相应的原子列间距成反比。知道了真实的二维点阵，可求出倒易点阵，反之亦然。

图9-8 表面二维点阵及其倒易点阵

a）表面二维点阵及原子列表示方法(www.xing528.com)

a=0.4nm b=0.2nm

b）二维倒易点阵

二维点阵的衍射可看成原子列散射波间的干涉。如图9-9所示，设入射波长为λ，入射角为θ₀，反射角为θ_hk，原子列间距为d_hk，则满足下列关系时即产生衍射：d_hk（sinθ_hk-sinθ₀）=λ（9-5）

图9-9 二维点阵的原子列衍射

图9-10所示为低能电子衍射（LEED）系统示意图。几何光路布置类似于F射线背散射相机。电子枪产生的单色电子束（束直径小于0.1mm）照射在样品表面，衍射花样用球型荧光屏观察。荧光屏前加同心球栅、能量分析器，在栅网上加一与入射电子能量相近的减速电压，以排斥掉非弹性电子，使衍射斑点清澈。法拉第圆筒探测器用于精确测量电子束流和谱形。为了进行高、低温试验，LEED系统中还可装置加热附件和冷却附件。

图9-10 低能电子衍射（LEED）系统

分析晶体清洁表面结构时，样品要求在超高真空（1.3×10^-8Pa）室内解理。若解理有困难，则样品应在工作室内原位（in-situ）化学清洁和离子轰击清洁。化学法清洁是用氧气和氢气反复清洗样品表面，并辅之以加热退火处理。离子法是用离子轰击表面进行清理，离子轰击会造成表面缺陷，所以也要辅之以加热退火处理，使清洁的表面原子重新排列。表面层的吸附试验也可直接在工作室内进行后再分析。

低能电子衍射花样是二维倒易点阵的复写，据此可进行衍射花样标定（图9-8），由二维倒易点阵再推算出表面结构。在分析表面吸附层之前，应首先确定其表面的位向和衍射花样。要详细分析原子占位情况，还应分析每个衍射斑点的强度。