6.3: Difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED)

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 69221

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

La difracción de electrones de baja energía (LEED) utiliza la sensibilidad superficial inherente asociada con los electrones de baja energía para muestrear la estructura de la superficie. A medida que aumenta la energía de los electrones primarios, no solo disminuye la especificidad de la superficie, sino que otros dos efectos son particularmente notables

la dispersión hacia adelante se vuelve mucho más importante (a diferencia de la dispersión hacia atrás observada en LEED)
el ángulo de dispersión (medido desde la dirección del haz incidente) tiende a 180 grados para la retrodispersión y 0 grados para la dispersión hacia adelante.

Para extraer información estructural superficial de la difracción de electrones de alta energía, por lo tanto, se tiene que adaptar la técnica y la forma más fácil de hacerlo es utilizar una geometría de reflexión en la que el haz de electrones incide en un ángulo muy pastoso, entonces se le conoce como Reflexión Difracción de Electrones de Alta Energía (RHEED).

El diagrama anterior muestra la configuración básica para un experimento RHEED, con la muestra vista de borde. En la práctica, la pantalla de visualización suele ser un recubrimiento de fósforo en el interior de una ventana de vacío (ventana gráfica) y el patrón de difracción se puede ver y registrar desde el lado atmosférico de la ventana. Los pequeños ángulos de dispersión involucrados se compensan mediante el uso de distancias de muestra/pantalla relativamente grandes.

La muestra se puede girar alrededor de su eje normal para que el haz de electrones incida a lo largo de direcciones cristalográficas específicas en la superficie.

Para entender el proceso de difracción necesitamos considerar cómo el haz de electrones puede interactuar con la matriz regular de átomos superficiales en esta geometría experimental. Cabe señalar, sin embargo, que el uso de la incidencia de mirada asegura que, a pesar de la alta energía de los electrones, el componente del impulso electrónico perpendicular a la superficie es pequeño. Bajo estas condiciones, un electrón puede viajar una distancia sustancial a través del sólido (de acuerdo con el camino libre medio mucho más largo de tales electrones de alta energía) sin penetrar lejos en el sólido. La técnica, en consecuencia, permanece sensible a la superficie.

Consideremos ahora la vista en planta de una superficie ilustrada a continuación en la que concentramos la atención en una sola fila de átomos (mostrados sombreados en azul pálido) que discurren en una dirección perpendicular al haz de electrones incidente (incidente desde la izquierda)

Además del cambio en el momento del electrón perpendicular a la superficie, lo que conduce a la reflexión aparente, el proceso de difracción también puede conducir a un cambio en el momento paralelo a la superficie, lo que conduce a la deflexión en un ángulo θ cuando se mira en vista en planta. La interferencia constructiva ocurre cuando la diferencia de trayectoria entre los “rayos” dispersos adyacentes (un sin θ) es un número integral de longitudes de onda (es decir, la misma condición básica que para LEED). Esto da lugar a un conjunto de haces difractados en varios ángulos a cada lado del haz directo (reflejado especularmente).

¿Qué ventajas ofrece RHEED sobre LEED?

En cuanto a la calidad del patrón de difracción ¡absolutamente ninguno! - además, se deben observar patrones de difracción para al menos dos alineaciones de muestra con respecto al haz incidente para determinar la celda unitaria de superficie. No obstante,...

La geometría del experimento permite un acceso mucho mejor a la muestra durante la observación del patrón de difracción. Esto es particularmente importante si se desea realizar observaciones de la estructura superficial durante el crecimiento de una película superficial por evaporación de fuentes localizadas normales a la superficie de la muestra o simultáneas con otras mediciones (por ejemplo, AES, XPS).
Los experimentos han demostrado que es posible monitorear el crecimiento atómico capa por capa atómica de películas epitaxiales monitoreando oscilaciones en la intensidad de los haces difractados en el patrón RHEED.

Por lo tanto, mediante el uso de RHEED es posible medir, y por lo tanto también controlar, las tasas de crecimiento de la capa atómica en el crecimiento de Epitaxia de Haz Molecular (MBE) de estructuras de dispositivos electrónicos; esta es, con mucho, la aplicación más importante de la técnica.