[科普中国]-低能电子衍射

低能电子衍射（英语：Low-energy electron diffraction，LEED）是一种用以测定单晶表面结构的实验手段，使用准直的低能电子束（20–200 eV）[1]轰击样品表面，可在荧光屏上观测到被衍射的电子所形成的光斑，进而表征样品的表面结构。

简介低能电子衍射（英语：Low-energy electron diffraction，LEED）是一种用以测定单晶表面结构的实验手段，使用准直的低能电子束（20–200 eV）轰击样品表面，可在荧光屏上观测到被衍射的电子所形成的光斑，进而表征样品的表面结构。

低能电子衍射有以下两种应用方式：

定性分析：着眼于衍射图案与衍射光斑位置的分析，可获得表面结构的对称性。若表面有吸附物，定性分析可确定吸附物的单位晶格与基底单位晶格的相对大小及方向。

定量分析：着眼于衍射电子束的强度与入射电子束能量的关系，将此关系（LEED I-V 曲线）与理论预测相比较，可获得表面原子确切的位置信息。1

历史电子衍射现象的发现电子衍射的理论论证最早可追溯到1924年路易·德布罗意提出的波粒二象性和物质波的观点，即某一动能为{\displaystyle p}的粒子的波长可由给出，其中为普朗克常数。

1927年，贝尔实验室的克林顿·戴维森与雷斯特·革末设计的戴维森－革末实验验证了此猜想。实验中，低能电子入射到镍晶体标靶；在测量背散射电子和散射角度的关系时，他们发现被衍射的电子形成了衍射图案。在此之前，衍射被认为是波独有的性质；因此，戴维森－革末实验揭示了电子的波动性。同年，英国物理学家乔治·汤姆孙在观测金属薄膜的电子衍射实验时也获得了衍射图案。与劳厄和布拉格之前发展的X射线衍射理论相互比较后发现，电子衍射图案和X射线衍射图案具有相似性，能够互相印证，这意味着电子衍射作为一种实验手段已经具备了潜在的应用价值。

作为表面分析手段的发展虽然电子衍射现象发现于1927年，但直到1960年代以前，低能电子衍射作为一种表面分析手段，一直没有得到广泛的应用，部分原因是由于当时不成熟的真空技术和缓慢的探测手段（例如法拉第杯）使测量衍射电子的强度和方向变得困难。因为低能电子衍射对材料的表面非常敏感，所以实验也需要有序的表面结构；而干净金属表面的重构技术直到很晚才出现。随着超高真空（UHV）技术以及后加速探测手段（post acceleration detection method）于1960年代早期的出现，低能电子衍射开始重新受到关注。借助后加速探测手段，衍射电子可被加速至较高能量，从而在荧光屏上形成清晰可见的衍射图案。

用于解释散射现象的动理学衍射理论（kinematic theory）虽然在X射线衍射领域获得了巨大成功，但是无法完全地解释低能电子衍射。理论上的不完善造成了当时无法从实验数据中确定吸附位、键角和键长等详细的表面结构信息。1960年代后期，考虑了多重散射的全动力学衍射理论的提出使得从理论层面高精度地建模计算模拟实验变得可能。1

相关实验方法张量低能电子衍射低能电子衍射实验的定量分析是通过试错法来确定表面的原子组态的，即把实验测得的衍射强度-入射能量曲线（I-V curve）与电脑的理论计算模型相比较。将不同参数输入初始的参照模型，可以导出一系列不同的试验模型结构（trial structure）；之后通过最优化可确定一组参数，使理论和实验相吻合。这种方法需要对每一个试验模型结构都进行全套的LEED计算，而这些计算中包括了复杂的多重散射修正。因此，对于一个具有较大参量空间的系统（例如吸附着大分子的表面），所需的计算量是非常巨大的。

张量低能电子衍射（Tensor LEED）回避了这种繁杂的完全计算。其计算策略如下：首先，选定某个已算出衍射强度-入射能量曲线的表面结构作为参照。接着，通过置换此结构中的一些原子生成一个新的试验模型结构。较小的置换可被看作微扰，使用微扰理论中的一阶修正即可导出大量的试验模型结构的衍射强度-入射能量曲线。

低能电子衍射斑轮廓分析（SPA-LEED）SPA-LEED（Spot Profile Analysis Low-Energy Electron Diffraction，低能电子衍射斑轮廓分析）对传统的低能电子衍射实验手段加以改进，旨在精确地测量衍射电子束的强度在倒易空间的分布，以得到衍射光斑清晰的轮廓。传统低能电子衍射的相干长度（coherence length）约为10到20nm，而 SPALEED 的相干长度可达1000Å以上。较大的相干长度意味着倒易空间中较强的分辨率，因而可以对衍射斑的轮廓进行更为精确的测量。

之所以要精确测定衍射斑的轮廓，是因为实际的材料表面一般没有完美的周期性；材料表面的各种缺陷，例如位错、原子台阶，以及吸附在表面的杂质原子，在不同程度上都会造成衍射光斑的展宽和衍射背景强度的增加。传统的低能电子衍射由于分辨率的限制无法对这些缺陷进行直接测量。SPALEED所具有的较强的分辨率意味着它对这些缺陷十分敏感；通过分析衍射斑的剖面曲线，SPALEED可用于表征材料表面上较为详细的结构，例如定量测定表面粗糙度和原子台阶的大小。

其他反射式高能电子衍射（RHEED）（Reflection High-Energy Electron Diffraction）

自旋极化低能电子衍射（Spin-Polarized Low Energy Electron Diffraction）

非弹性低能电子衍射（Inelastic Low Energy Electron Diffraction）

甚低能电子衍射（Very Low Energy Electron Diffraction）2

参见表面分析方法列表

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所