Реферат на тему: Методы структурного анализа тонких пленок. Метод дифракции электронов низких энергий ДЭНЭ

Введение

Проблемы поверхности вызывают сегодня, пожалуй, наибольший интерес у физиков. И не только научный интерес, но и самые разнообразные эмоции.

Например, знаменитый теоретик Вольфганг Паули <http://n-t.ru/nl/fz/pauli.htm> однажды раздраженно воскликнул: "Поверхность создана дьяволом!" Другой великий физик, Энрико Ферми <http://n-t.ru/nl/fz/fermi.htm>, выразил скорее сожаление, чем гнев: "Поверхности очень интересны, но ведь их так мало..." По-видимому, Ферми имел в виду, во-первых, то, что поверхность занимает лишь очень малую часть массивного тела, и, во-вторых, что ее почти невозможно получить в чистом виде, необходимом для изучения средствами экспериментальной физики. Поэтому традиционно поверхности твердых тел исследовались химическими методами, и физики подключились к этой проблеме сравнительно недавно - примерно в середине 60-х годов. Как и можно было предположить, у физиков возник свой взгляд на поверхность. Они стремятся понять, как на ней расположены атомы и как ведут себя поверхностные электроны. Ответы на эти вопросы дает изучение атомарно-чистых поверхностей, которые "живут" только в сверхвысоком вакууме и которые раскрывают неповторимую индивидуальность "поверхностного вещества". [1]

Триумфальное шествие волновой теории вещества началось после экспериментов по рассеянию медленных электронов (с энергиями <100 эВ) на поверхности монокристалла, начиная с работы Дэвиссона и Джермера. Полагают, что в этих экспериментах у электронов наблюдались волновые свойства - а именно, явление дифракции.

Каково происхождение волновых свойств у электронов? Физический смысл волн де Бройля до сих пор не ясен, их приемлемая физическая модель отсутствует, а очевидная проблема сингулярности для случая, когда частица покоится - даже не обсуждается. Кроме того, в разных системах отсчёта скорость частицы различна; следовательно, различна и её длина волны. Но тогда, при анализе рассеяния электронов на щели, не избежать противоречия с принципом относительности: "А если заставить щель двигаться на электрон? Ведь принцип относительности этого не запрещает. А в этом случае длина волны станет равной бесконечности, и дифракции происходить не будет".

Несмотря на этот ряд нерешённых теоретических проблем, связанных с волнами де Бройля, мало кто из современных физиков сомневается в их физической реальности, поскольку, якобы, имеет место их дифракция. Но при знакомстве с оригинальными работами обнаруживается, что, для интерпретации полученных картин рассеяния медленных электронов в терминах дифракции, требуется закрывать глаза на целый ряд "странностей". Между тем, эти "странности" находят простое объяснение, по крайней мере, качественное, в рамках другого подхода - отнюдь не в духе волновой теории. [2]

Схема эксперимента была, вкратце, такова. Слаботочный пучок термоэмиссионных электронов направлялся нормально на поверхность среза монокристалла никеля. Монокристалл можно было поворачивать вокруг линии падения пучка, детектор же рассеянных электронов позволял проводить их селекцию по углу рассеяния. Таким образом, имелась возможность сканировать, по отношению к монокристаллу, почти всю заднюю полусферу рассеяния - не затенённую электронной пушкой. Детектор настраивался так, чтобы отсекались электроны с малой энергией и регистрировались только те, которые испытали упругое или почти-упругое рассеяние. Выводы о картинах рассеяния делались на основе величины тока с детектора в зависимости от трёх параметров: энергии падавших электронов и двух углов, определявших направления рассеяния. [2]

Структурный анализ - это определение строения веществ и материалов, т.е. выяснение расположения в пространстве составляющих их структурных единиц (молекул, ионов <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1752.html>, атомов). В узком смысле Структурный анализ - это определение геометрии молекул <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2650.html> и молекулярных систем, которую обычно описывают набором длин связей, валентных (плоских) и двугранных (торсионных) углов, Структурный анализ обычно включает получение экспериментальных данных и их математическую обработку.

Строение поверхности твердых тел <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4324.html> изучают обычно с помощью дифракции медленных электронов <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5311.html>. [3]

Наиболее разработанными методами исследования кристаллической структуры поверхности являются методы, основанные на дифракции рентгеновских и электронных пучков.

Рентгеновская дифракция является классической и хорошо разработанной методикой определения кристаллической структуры объема твердых тел. При этом размеры анализируемого объема определяются, главным образом, длиной поглощения рентгеновского излучения - в большинстве экспериментальных ситуаций эта длина составляет от 10 до 100 мкм. Для исследования приповерхностных областей необходимы характер взаимодействия или геометрия, которые обусловливают дифракцию на самой поверхности или вблизи нее. Чувствительность к свойствам поверхности возникает обычно при использовании геометрии скользящих углов падения излучения на поверхность или анализа с помощью дифракции медленных электронов (ДМЭ) (или, что то же самое, дифракции электронов низких энергий (ДЭНЭ)).

Дифракционные методы представляют собой большую и самостоятельную область исследований. Имеется большое число обзоров и учебников, посвященных дифракционным методам. Поэтому они, равно как и на растровая (сканирующая) и просвечивающая микроскопии, в данном пособии подробно не рассматриваются. Вместо этого рассмотрим в качестве иллюстрации дифракционных методов дифракцию медленных электронов и более подробно остановимся на полевых методах, которые существенно менее известны, чем дифракционные. [4]

Использование в опыте низкоэнергичных, так называемых медленных электронов, которые проникают в кристалл на очень малую глубину, позволяет получать информацию об очень тонком приповерхностном слое кристаллов. Дифракция медленных электронов является в настоящее время одним из наиболее информативных методов исследования поверхности твердых тел, она позволяет изучать перестройку кристаллической структуры на поверхности, явления адсорбции и самые начальные стадии кристаллизации твердых тел. Электронография позволяет также изучать атомную структуру ближнего порядка в аморфных телах, стеклах и жидкостях и, кроме того, структуру молекул газов и характер их тепловых колебаний в широком температурном интервале. [5]

Оглавление

- Введение

- Дифракция электронов

- Дифракция электронов низких энергий ДЭНЭ дифракция медленных электронов ДМЭ

- Параметры дифракции

- Тепловые колебания решетки и фактор Дебая-Валлера

- Реализация ДЭНЭ. Применение метода ДЭНЭ Заключение

- Список источников и литературы

Список литературы

1. Ревокатова И.П., Силин А.П. Вакуумная туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел. Успехи физических наук, том 142, №1, 1984.

2. Г. Пинскер. Диффракция электронов. Изд-во АН СССР, М.-Л., 1949.

3. Скрышевский А.Ф., Структурный анализ жидкостей <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1545.html> и аморфных тел, 2 изд., М., 1980;

. Н.Н. Никитенков. Основы изотропного, химического и структурного анализа поверхности методами атомной физики. Учебное пособие. Томск: ТПУ, 2001,201с.

. http://wikipedia.tomsk.ru/ru.wikipedia.org/wiki/Дифракция_электронов

. Андронов А.Н., Пронина Н.А. Изучение структуры поверхности методом дифракции медленных электронов (ДМЭ): Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997.- 45 с.

. Мозольков, А. Е., Федянин, В. К. М747 Дифракция медленных электронов.