Χαρακτηρισμός επιφανειών με

Transcript

1 Χαρακτηρισμός επιφανειών με περίθλαση ηλεκτρονίων LEED RHEED 1 Περίθλαση ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας (Low energy electron diffraction LEED). LEED In situ δομή υμενίων που αναπτύσσονται υπό συνθήκες UHV Πηγή e οθόνη δείγμα Γείωση φίλτρα Σχηματικό διάγραμμα συστήματος LEED. Δέσμη e με καλώς καθορισμένη χαμηλή ενέργεια ( ev), που σε λ Å, προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του δείγματος. Καταγράφουμε την εικόνα περίθλασης Fraunhofer των ελαστικώς οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων ( 1% του συνόλου) που αντιστοιχούν στον μετασχηματισμό Fourier της διάταξης των ατόμων στην επιφάνεια. Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια που έχουν χαμηλότερη ενέργεια απομακρύνονται από τα ηλεκτρόδια που τα επιβραδύνουν πριν φθάσουν στην φθορίζουσα οθόνη. 2 1

2 Περίθλαση Fraunhofer : είναι η εικόνα περίθλασης μακρινού πεδίου (επίπεδα κύματα) που συμβαίνει όταν η δέσμη που προσπίπτει στο αντικείμενο είναι παράλληλη, μονοχρωματική και η απόσταση απεικόνισης >> διαστάσεις περιθλώντος αντικειμένου (απλούστερη της Fresnel). Η LEED εφαρμόζεται για in situ μετρήσεις σε συστήματα ανάπτυξης που λειτουργούν υπό συνθήκες UHV (π.χ. MBE) ενώ είναι ασύμβατη με άλλες τεχνικές ανάπτυξης όπως η CVD. Γιατί? LPCVD: πίεση λειτουργίας Torr (1atm=760 Torr) H MBE λειτουργεί υπό συνθήκες UHV. Εικόνα περίθλασης Fraunhofer από τα ελαστικώς οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια ( 1% του συνόλου) ) μετασχηματισμό Fourier της διάταξης των ατόμων στην επιφάνεια. Σαφής εικόνα προκύπτει όταν η επιφάνεια είναι κρυσταλλική. 3 Τι μετράμε με την LEED? Πλεγματική σταθερά. Τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια έχουν μήκος κύματος λ=h/p, όπου p 2mEk 2meV Ε k είναι η κινητική τους ενέργεια και V το δυναμικό επιτάχυνσης. Επομένως h 2meV τα ηλεκτρόνια έχουν λ συγκρίσιμο με τις ενδοτομικές αποστάσεις & περιθλώνται από το πλέγμα σύμφωνα με τον νόμο του Bragg : αsinθ=nλ, όπου n ακέραιος αριθμός υπολογίζεται το α. Η παρουσία σαφών (καλώς εστιασμένων) κηλίδων αποδεικνύει την ύπαρξη μιας καλώς τακτοποιημένης επιφάνειας και δίνει πληροφορίες για την συμμετρία. Η ανάλυση της εικόνας περίθλασης πληροφορίες για το μέγεθος, τον προσανατολισμό και τη συμμετρία της μοναδιαίας κυψελίδας του προσροφημένου ή αναπτυσσόμενου υμενίου. 4 2

3 Η LEED χρησιμοποιείται επίσης στην Φυσική Επιφανειών για την μελέτη της προσρόφησης αερίων σε επιφάνειες υπό συνθήκες UHV. Στο σχήμα φαίνονται αντιπροσωπευτικές δομές (αριστερά) και οι αντίστοιχες εικόνες περίθλασης (δεξιά). 5 RHEED (reflection high energy electron diffraction) Πηγή e Δείγμα Πηγές ΜΒΕ οθόνη Στην RHEED η δέσμη των ηλεκτρονίων (5 100 kev) προσπίπτει εφαπτομενικά (θ<3 ο ) στην επιφάνεια τα e σκεδάζονται υπό μικρές γωνίες μεταφέρουν πληροφορία για τα επιφανειακά 1 2 ατομικά επίπεδα. Στην οθόνη εμφανίζεται μία σειρά από γραμμές. Η απόσταση μεταξύ των γραμμών πλεγματική σταθερά της επιφάνειας. Επιφάνεια ομαλή: οξείες γραμμές Επιφάνεια ανώμαλη: διάχυτες γραμμές 6 3

4 RHEED από 80nm υμένιο La 0.6 Ca 0.3 MnO 3. Οι διάχυτες γραμμές ήκηλίδες η επιφάνεια έχει ανωμαλίες ημιτελής ανάπτυξη. RHEED από επιφάνεια SrTiO 3 (001). Οι οξείες γραμμές η επιφάνεια είναι ατομικώς επίπεδη 7 Η γεωμετρία της RHEED επιτρέπει in situ, real time μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης υπό συνθήκες UHV. Αντίθετα η γεωμετρία της LEED είναι ακατάλληλη για insitu, real time μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης., 8 4

5 Το μέγεθος που καταγράφεται : η μεταβολή της έντασης της δέσμης συναρτήσει του χρόνου ανάπτυξης. Το σήμα εμφανίζει περιοδική μεταβολή με περίοδο που αντιστοιχεί στην ανάπτυξη ενός μονοατομικού επιπέδου. Μέγιστο καθαρή επιφάνεια ή πλήρης κάλυψη της επιφάνειας Μικρότερο του μεγίστου μερική κάλυψη της επιφάνειας., Τα μέγιστα της ανακλαστικότητας αντιστοιχούν σε σκέδαση από ατομικώς επίπεδες επιφάνειες (με κάλυψη που αντιστοιχεί σε θ=0 ή θ=1) ενώ τα ελάχιστα αντιστοιχούν σε επιφάνειες που εμφανίζουν αταξία λόγω της παρουσίας νησίδων. 9 Τα μέγιστα της ανακλαστικότητας αντιστοιχούν σε σκέδαση από ατομικώς επίπεδες επιφάνειες (με κάλυψη που αντιστοιχεί σε θ=0 ή θ=1) ενώ τα ελάχιστα αντιστοιχούν σε επιφάνειες που εμφανίζουν αταξία λόγω της παρουσίας νησίδων. 10 5

6 (α) Οι ταλαντώσεις RHEED εμφανίζονται μόνον όταν η κάλυψη της επιφάνειας αντιστοιχεί σε θ=0 ή θ=1, οπότε η επιφάνεια είναι ατομικώς επίπεδη, όπως φαίνεται στο (β). Μηχανισμός ανάπτυξης layer by layer (Frank van der Merwe) Εξέλιξη των ταλαντώσεων RHEED συναρτήσει του χρόνου ανάπτυξης υμενίου Fe. Οι ταλαντώσεις αναδεικνύονται καθαρά όταν η επικάλυψη 1 ML 11 6