Diffraktion af hurtige elektroner , forkortet. RHEED ( reflection high-energy electron diffraction , forkortelse . RHEED) [1] er en metode til at studere strukturen af overfladen af faste stoffer , baseret på analyse af diffraktionsmønstre for elektroner med en energi på 5-100 k eV , elastisk spredte fra overfladen under undersøgelse i græsningsvinkler.
Følsomhed over for overfladestrukturen i RHEED opnås ved, at den primære stråle indfalder på overfladen under undersøgelse i en lille afgræsningsvinkel af størrelsesordenen 1-5°, og også ved, at kun diffraktionsstråler kommer frem i små vinkler til overfladen detekteres. Som et resultat forbliver elektronerne i et tyndt område nær overfladen gennem deres frie bane . For eksempel trænger elektroner med en energi på 50-100 keV, der har en middel fri vej på omkring 100 nm, ved en indfaldsvinkel på omkring 1 ° til en dybde på højst 1 nm .
Refleksion højenergi elektrondiffraktion (RHEED) er en almindelig metode til at analysere overfladestrukturen af film i processen med molekylær stråleepitaxi (MBE). Den brede fordeling af denne metode skyldes teknikkens brugervenlighed og tilstedeværelsen af et stort ledigt rum foran prøven. En anden fordel ved RHEED (i modsætning til langsom elektrondiffraktion, LEED) er, at der på grund af den store energiforskel mellem elastisk spredte elektroner og den uelastiske spredningsbaggrund ikke er behov for omhyggelig energifiltrering. Og de primære elektroners energitilstrækkelighed til at excitere gløden fra den selvlysende skærm kræver ikke deres reacceleration. [2]
For at studere en overflade ved RHEED-metoden er det nødvendigt at have eksperimentelt udstyr, hvor en stråle af højenergielektroner fra en elektronkanon rammer prøveoverfladen i en græsningsvinkel, og de diffrakterede elektronstråler danner et RHEED-mønster på en fluorescerende skærmen. Som et eksempel er RHEED-mønsteret fra en atomisk ren Si(111)7×7 overflade . Prøveholderen placeres på en platform, der gør det muligt at rotere prøven for at opnå RHEED-mønstre i forskellige azimutretninger .
RHEED gør det muligt kontinuerligt (in situ) at overvåge væksten af epitaksiale film på overfladen på grund af det faktum, at den forreste del af prøven bliver tilgængelig for fordampende kilder. Den store interesse for MBE, som en metode til dyrkning af materialer til halvlederenheder, havde en stimulerende effekt på brugen af RHEED.
Ud over den forbedrede adgang til overfladen, som RHEED-geometrien giver sammenlignet med LEED, har denne metode andre fordele ved at studere epitaksial vækst og processer på flerlagsoverflader. Især brugen af lave græsningsvinkler gør denne metode følsom over for mikrorelief. Hvis LEED (normalt ved normal forekomst) udvælger velordnede overfladeområder med en orientering tæt på den gennemsnitlige overfladeorientering, så vil græsningsincidenselektroner trænge igennem ruheden på overfladen, hvis den er mikroskopisk glat. Dette øger kravene til prøveforberedelse til RHEED-analyse, men betyder samtidig, at denne metode kan detektere ændringer i overflademorfologi. For eksempel, hvis epitaksial vækst fører til vækst af øer på overfladen, så vil mønsteret af græsningsrefleksion fra en flad overflade, som blev observeret i fravær af øer, blive erstattet af et mønster, der indeholder diffraktionsrefleksioner fra tredimensionelle objekter . Dette kan for eksempel bruges til at bestemme tykkelsen af befugtningslaget af en pseudomorf film og til at bestemme orienteringen af øfladerne [12].
Selvom diagnostisk udstyr ( STM , AFM ) for nylig er dukket op i næsten alle forskerhold , der giver visuel information om overfladestrukturen og processer, der forekommer under vækst, er den hurtige elektrondiffraktionsmetode ikke desto mindre på grund af dens enkelhed, lave omkostninger og bekvemmelighed ved geometri, forbliver en integreret del af diagnostisk udstyr i molekylærstråleepitaxiinstallationer til materialer, der ikke ødelægges under påvirkning af elektronbombardement.
Ud over at analysere filmoverfladestrukturen gør registrering af svingninger af en spejlende reflekteret stråle af hurtige elektroner fra overfladen af en voksende film det muligt at måle filmens væksthastighed og kontrollere deres sammensætning og tykkelse. Ved at analysere arten af svingningerne kan man studere de realiserede vækstmekanismer, bestemme parametrene for overfladediffusion og inkorporering af atomer .
Et kvalitativt billede af forekomsten af RHEED-svingninger er illustreret i fig. 2.3. En atomisk glat overflade giver den maksimale intensitet af den spejlende refleksion. Dannelsen af todimensionelle øer med en højde på et monolag fører til et fald i intensiteten af den spejlende refleksion, som er forbundet med spredningen af den reflekterede stråle ved atomare trin. Faldet i intensitet sker op til fyldningsgraden og = 0,5, og så begynder intensiteten igen at stige. Stigningen i intensitet er forbundet med sammensmeltningen af todimensionelle øer og som følge heraf en stigning i overfladens glathed. Ved u = 1, når overfladen igen bliver atomisk glat, er intensiteten af spejlreflektionen tæt på dens begyndelsesværdi. Denne cyklus af ændring i intensitet gentages mange gange, efterhånden som de næste lag vokser. [2]
RBE-metoden tillader: