Дифракция быстрых электронов , сокр. ДБЭ ( англ. reflection high-energy electron diffraction , сокр. RHEED) — метод исследования структуры поверхности твёрдых тел , основанный на анализе картин дифракции электронов с энергией 5 — 100 к эВ , упруго рассеянных от исследуемой поверхности под скользящими углами .

Описание

Чувствительность к структуре поверхности в ДБЭ достигается тем, что первичный пучок падает на исследуемую поверхность под малым скользящим углом порядка 1-5°, а также тем, что детектируются только дифракционные пучки, выходящие под малыми углами к поверхности. В результате на всем своём пути свободного пробега электроны остаются в тонкой приповерхностной области. Например, электроны с энергией 50-100 кэВ , имея длину свободного пробега порядка 100 нм , при угле падения порядка 1° проникают на глубину не более 1 нм.

Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ) является распространённым методом анализа структуры поверхности пленок в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Большое распространение этого метода связано с простотой использования методики и наличием большого свободного пространства перед образцом. Ещё одним из преимуществ ДБЭ (отличием от дифракции медленных электронов (ДМЭ) является то, что из-за большого различия по энергии между упруго рассеянными электронами и фоном неупругого рассеяния отсутствует необходимость тщательной энергетической фильтрации. А достаточность энергии первичных электронов для возбуждения свечения люминесцирующего экрана не требует их повторного ускорения.

Для изучения поверхности методом ДБЭ обязательно наличие экспериментальной аппаратуры, в которой пучок высокоэнергетических электронов из электронной пушки попадает на поверхность образца под скользящим углом , а пучки электронов после дифракции формируют картину ДБЭ на флуоресцентном экране. В качестве примера картина ДБЭ от атомарно-чистой поверхности Si(111)7×7 . Держатель образца помещается на платформу, которая позволяет вращать образец для получения картин ДБЭ по разным азимутальным направлениям .

ДБЭ позволяет непрерывно ( in situ ) следить за ростом эпитаксиальных пленок на поверхности вследствие того, что фронтальная часть образца становится доступной для испаряющихся источников. Большой интерес к МЛЭ , как к способу выращивания материалов для полупроводниковых приборов , оказал стимулирующее воздействие на применение ДБЭ.

Помимо улучшенного доступа к поверхности, обеспечиваемого геометрией ДБЭ, по сравнению с ДМЭ, этот метод обладает и другими преимуществами при изучении эпитаксиального роста и процессов на многослойных поверхностях. В частности, использование направленного пучка электронов с малыми углами скольжения делает этот метод чувствительным к микрорельефу . Если ДМЭ, обычно при нормальном падении, выделяет хорошо упорядоченные области поверхности с ориентацией, близкой к средней ориентации поверхности , то электроны при скользящем падении будут проникать в шероховатости на поверхности, если она является микроскопически гладкой. Это повышает требования к приготовлению образцов для исследования методом ДБЭ, но в то же время означает, что этот метод может выявить изменения в морфологии поверхности. Например, если эпитаксиальный рост приводит к росту островков на поверхности, то картина скользящего отражения от плоской поверхности, которая наблюдалась в отсутствие островков, сменится картиной содержащей дифракционные рефлексы от трёхмерных объектов. Это может использоваться, например, для определения толщины смачивающего слоя пленки, и определения ориентации граней островков [12].

Хотя в последнее время почти в каждом исследовательском коллективе появилась диагностическая аппаратура ( СТМ , АФМ ), предоставляющая визуальную информацию о структуре поверхности и процессах, происходящих во время роста, тем не менее метод дифракции быстрых электронов благодаря своей простоте, дешевизне и удобности геометрии остаётся неотъемлемой частью диагностического оборудования в установках молекулярно-лучевой эпитаксии для материалов, не разрушающихся под воздействием электронной бомбардировки .

Кроме анализа структуры поверхности пленок, регистрация осцилляций зеркально-отраженного пучка быстрых электронов от поверхности растущей пленки дает возможность измерять скорость роста пленок и контролировать их состав и толщину. Анализируя характер осцилляций, можно изучать реализуемые механизмы роста, определять параметры поверхностной диффузии и встраивание адатомов .

Качественную картину возникновения ДБЭ-осцилляций иллюстрирует .

Атомарно гладкая поверхность даёт максимальное значение интенсивности зеркального рефлекса . Образование двумерных островков высотой в один монослой приводит к уменьшению интенсивности зеркального рефлекса, что связано с рассеянием отраженного пучка на атомных ступенях. Уменьшение интенсивности происходит до степени заполнения и =0.5, а затем интенсивность вновь начинает расти. Рост интенсивности связан со срастанием двумерных островков и увеличением вследствие этого гладкости поверхности. При и =1, когда поверхность вновь становится атомарно гладкой, интенсивность зеркального рефлекса близка к своему первоначальному значению. Этот цикл изменения интенсивности многократно повторяется по мере роста следующих слоёв.

Преимущества и недостатки

Метод ДБЭ позволяет:

1. Качественно оценить структурное совершенство поверхности (от хорошо упорядоченной поверхности наблюдается картина ДБЭ с четкими яркими рефлексами и низким уровнем фона);
2. Определить обратную решетку поверхности из геометрии дифракционной картины;
3. Определить атомную структуру поверхности путём сравнения зависимостей интенсивности дифракционных рефлексов от угла падения первичного пучка электронов (кривые качания), рассчитанных для структурных моделей, с зависимостями, полученными в эксперименте ;
4. Определить структуру трёхмерных островков, сформировавшихся на поверхности (в том числе в процессе кристаллизации ) ;
5. Контролировать послойный рост эпитаксиальных плёнок с атомарной точностью по осцилляциям интенсивности дифракционного пучка.

Литература

• Оура К., Лифшиц В. Г. , Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.

Примечания

Ссылки

• При написании этой статьи использовался материал из издания « Словарь нанотехнологических терминов » (2009—…), доступного по лицензии Creative Commons .