关于低能电子衍射介绍

[拼音]：dineng dianzi yanshe

[外文]：low energy electron diffraction

低能电子衍射(LEED)，是将能量为5～500eV范围的单色电子入射于样品表面，通过电子与晶体相互作用，一部分电子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束进入可移动的接收器进行强度测量，或者再被加速至荧光屏，给出可观察的衍射图像，见图1。图中，第一栅接地，使衍射电子自由飞过样品和栅之间的空间；第二栅加几十伏负电压，可滤去非d性散射电子。荧光屏施加千伏高压，使电子有足够的能量激发荧光物质。由于物质对电子的散射比对 X射线的散射强很多，使低能电子具有很高的表面灵敏度。虽然在1927年C.J.戴维孙和L.H.革末发现了LEED，但因多重散射带来了技术上和理论上的复杂性，使低能衍射的实际应用推迟了40年。直到70年代以后，在超高真空技术发展的基础上，才使此技术获得新生。

低能电子衍射图样给出晶体表面倒易空间的晶网像，或者说直接给出晶体倒易点阵的一个二维截面（见表面结构），它可以在一个二维模型基础上运用衍射的运动学理论加以解释（见衍射动力学理论）。一个无限大的二维晶体，其倒易点阵是垂直于二维晶面的倒易棒所形成之阵列，如图2所示。平行于此晶面的入射波矢k〃与散射波矢(ki)〃之差等于此晶面的二维倒易点阵矢量Gi，即有

(ki)〃－k〃＝Gi时，

满足衍射加强条件。故于图2中以入射波矢k 为半径作一球（称为厄瓦耳球），球与倒易棒的交点，即给出衍射束的波矢ki。在相应的正空间中，衍射加强条件就是布喇格公式

a sin φ＝hλ，b sin φ┡＝kλ，

式中a、b为二维平移矢量的长度。从衍射图可以确定表面平移矢量As、Bs，研究各种类型的表面有序结构，给出相应的空间群（见表面结构）。

衍射强度分析是利用LEED确定表面单胞内原子位置的核心问题。由于慢电子的动能与晶体中散射势相近，通常处理高能电子衍射的运动学理论或修正的运动学理论不能用于低能电子衍射。理论计算与实验数据的比较表明，分析低能电子在晶体中的行为，必须考虑晶体中原子、电子及声子与它的相互作用，以及低能电子在晶体中所受的多重散射。将所有这些相互作用表示成为一个有效势V(r)，低能电子的哈密顿量即写为

H＝Ho＋V(r)，

Ho为入射电子动能。这就将多体问题归结为求解单电子薛定谔方程：

Hψ＝Eψ 。

待求的衍射强度等于本征波函数的模的二次方|ψ|2。现代低能电子衍射理论分析很多就是从多重散射格林函数方法出发，对具体散射过程作各种模型假设，发展了若干行之有效的方法，如KKR法、贝基T－矩阵法、重正化向前散射法、双层法、链方法及其他微扰法。低能衍射技术已推广到研究表面缺陷、二维相变，其理论分析方法也为其他的表面分析技术所借鉴。

低能电子衍射仪常与多种表面分析仪联用，综合地分析各种金属、半导体的清洁表面与吸附表面的元素组成和表面原子结构。

参考书目

1. C.J. Davisson and L.H. Germer， Physical Review，Vol. 30，p.705，1927.
2. J. B. Pendry， Low Energy Electron Diffractionand Its Application to Determination of Surface Structure， Academic Press， London， 1974.