Diffraktion av snabba elektroner , förkortning. RHEED ( reflektion high-energy electron diffraction , förkortning RHEED ) [1] är en metod för att studera strukturen på ytan av fasta ämnen , baserad på analys av diffraktionsmönster för elektroner med en energi på 5-100 k eV , elastiskt spridda från ytan som studeras i betesvinklar.
Känslighet för ytstrukturen i RHEED uppnås genom att den primära strålen infaller på ytan som studeras med en liten betesvinkel i storleksordningen 1–5°, och även genom att endast diffraktionsstrålar kommer fram i små vinklar till ytan detekteras. Som ett resultat förblir elektronerna i ett tunt område nära ytan under hela sin fria väg . Till exempel, elektroner med en energi på 50-100 keV, som har en medelfri väg på cirka 100 nm, vid en infallsvinkel på cirka 1 ° penetrerar till ett djup av högst 1 nm .
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) är en vanlig metod för att analysera ytstrukturen hos filmer i processen med molekylär strålepitaxi (MBE). Den breda distributionen av denna metod beror på teknikens enkla användning och närvaron av ett stort fritt utrymme framför provet. En annan fördel med RHEED (i motsats till långsam elektrondiffraktion, LEED) är att det, på grund av den stora energiskillnaden mellan elastiskt spridda elektroner och den oelastiska spridningsbakgrunden, inte finns något behov av noggrann energifiltrering. Och energitillräckligheten hos de primära elektronerna för att excitera glöden från den självlysande skärmen kräver inte att de accelereras igen. [2]
För att studera en yta med RHEED-metoden är det nödvändigt att ha experimentell utrustning där en stråle av högenergielektroner från en elektronkanon träffar provytan i en betesvinkel och de diffrakterade elektronstrålarna bildar ett RHEED-mönster på en fluorescerande yta. skärm. Som ett exempel, RHEED-mönstret från en atomiskt ren Si(111)7×7-yta . Provhållaren placeras på en plattform som gör att provet kan roteras för att erhålla RHEED-mönster i olika azimutriktningar .
RHEED gör det möjligt att kontinuerligt (in situ) övervaka tillväxten av epitaxiella filmer på ytan på grund av att den främre delen av provet blir tillgänglig för förångande källor. Det stora intresset för MBE, som en metod för att odla material till halvledarenheter, hade en stimulerande effekt på användningen av RHEED.
Förutom den förbättrade åtkomsten till ytan som RHEED-geometrin ger jämfört med LEED, har denna metod andra fördelar för att studera epitaxiell tillväxt och processer på flerskiktsytor. Särskilt användningen av låga betesvinklar gör denna metod känslig för mikrorelief. Om LEED (vanligtvis vid normal incidens) plockar ut välordnade ytregioner med en orientering nära den genomsnittliga ytorienteringen, kommer elektroner av betesinkomst att penetrera grovhet på ytan om den är mikroskopiskt slät. Detta ökar kraven på provberedning för RHEED-analys, men gör samtidigt att denna metod kan upptäcka förändringar i ytmorfologi. Till exempel, om epitaxiell tillväxt leder till tillväxt av öar på ytan, kommer mönstret av betesreflektion från en plan yta, som observerades i frånvaro av öar, att ersättas av ett mönster som innehåller diffraktionsreflektioner från tredimensionella objekt . Detta kan till exempel användas för att bestämma tjockleken på vätskiktet i en pseudomorf film och för att bestämma orienteringen av öytorna [12].
Även om diagnostisk utrustning ( STM , AFM ) nyligen har dykt upp i nästan alla forskarlag , som tillhandahåller visuell information om ytstrukturen och processer som inträffar under tillväxten, är ändå den snabba elektrondiffraktionsmetoden, på grund av dess enkelhet, låga kostnad och bekvämlighet med geometri, förblir en integrerad del av diagnostisk utrustning i molekylära strålepitaxiinstallationer för material som inte förstörs under påverkan av elektronbombardement.
Förutom att analysera filmens ytstruktur, gör registrering av oscillationer av en spegelreflekterad stråle av snabba elektroner från ytan av en växande film det möjligt att mäta filmens tillväxthastighet och kontrollera deras sammansättning och tjocklek. Genom att analysera oscillationernas karaktär kan man studera de realiserade tillväxtmekanismerna, bestämma parametrarna för ytdiffusion och inkorporering av atomer .
En kvalitativ bild av förekomsten av RHEED-svängningar illustreras i fig. . 2.3. En atomärt slät yta ger den maximala intensiteten av spegelreflektionen. Bildandet av tvådimensionella öar med en höjd av ett monolager leder till en minskning av intensiteten av spegelreflektionen, som är associerad med spridningen av den reflekterade strålen med atomsteg. Minskningen av intensiteten sker upp till fyllnadsgraden och = 0,5, och sedan börjar intensiteten öka igen. Ökningen i intensitet är associerad med sammansmältningen av tvådimensionella öar och som ett resultat en ökning av ytans jämnhet. Vid u = 1, när ytan igen blir atomärt slät, är intensiteten av spegelreflektionen nära dess initiala värde. Denna cykel av förändring i intensitet upprepas många gånger när nästa lager växer. [2]
RBE-metoden tillåter: