[科普中国]-高能电子衍射装置

高能电子衍射是高能电子衍射的一种工作模式。它将能量为10～50keV的单能电子掠射 (1°～3°)到晶体表面，在向前散射方向收集电子束，或将衍射束显示于荧光屏。

基本原理电子束不能穿透大块晶体，对较厚样品的表面结构研究，可以使用反射电子衍射方法。

其特点是:

1、一束直径较细的高能电子束照射到被分析样品表面，通过表面反射而形成电子衍射图象，可以进行传统的X射线衍射分析所不能完成的样品表面晶体结构及薄膜方向等的观测和测定。

2、RHEED所用的加速电压为10k-1000k eV，所对应的波长对分析薄膜的结晶性非常有利，可以获得较多样品表面的微结构信息，如表面重构、生长模式、晶相和晶质等。

3、由于高能电子束以几乎平行于被分析样品表面的一极小的角入射，入射电子与表面垂直的动量很小，这样电子只能与样品表面的几层甚至是一层原子的晶格发生作用，所以通过衍射像可以显示表面原子排列的特征。

RHEED可以在生长的过程中实时监测晶体的表面原子结构，晶体的表面形态，并可以分析表面的重.构情况。它己经成为现代外延生长技术中不可缺少的表面分析评价手段。

历史背景1927年，C.J.戴维孙和L.H.革末在观察镍单晶表面对能量为100电子伏的电子束进行散射时,发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，G.P.汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时,也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了L.V.德布罗意提出的电子具有波动性的设想，构成了量子力学的实验基础。

装置结构高能电子衍射装置是由高能电子枪和荧光屏两部分组成，从电子枪发射出来的具有一定能量的电子束略入射到样品表面，电子束的透入深度仅1到2个原子层，所以这种技术所反映的完全是样品表面的结构信息。根据布拉格衍射定律，衍射角和晶格结构息息相关，所以观察衍射的图像就能够分析出表面的生长状况。1

晶体的检测

在晶体生长的监控过程中，对图案的判读可以有效地确定晶体生长的状态以及生长的模式。若衬底为较理想的晶体平面，对应阴花样上为一系列等间距排列的条纹，或者沿圆弧排列的点，即所谓的劳厄环如果出现分数级的条纹或者分数级的劳厄环，则说明衬底表面出现了重构现象随着材料生长，晶体表面变得粗糙不平，对应花样上条纹逐渐模糊当晶体生长到一定阶段，表面成岛或者较大的突起，花样上出现按一定规律规则排布的斑点，即为透射式衍射花样。在系统中，高能电子束以很小的入射角掠入射至晶体表面，一旦表面成岛，则电子束将不仅仅在晶体表面反射，而是岛中透射穿过，形成的散射束投射在荧光屏上形成透射式衍射花样。此时的衍射花样将直接反映出岛内部的晶格结构，是倒易空间格点的分布另外由于电子束能量的弥散，对应的厄瓦德球面可能不是一个几何球面，而是一系列连续半径变化的球面形成的球壳，只要在球壳中存在的倒易格点都可能反映在衍射花样上。2

应用电子衍射和X射线衍射一样，可以用来作物相鉴定、测定晶体取向和原子位置。由于电子衍射强度远强于X射线，电子又极易为物体所吸收，因而电子衍射适合于研究薄膜、大块物体的表面以及小颗粒的单晶。此外，在研究由原子序数相差悬殊的原子构成的晶体时，电子衍射较X射线衍射更优越些。会聚束电子衍射的特点是可以用来测定晶体的空间群（见晶体的对称性）。

采用波长小于或接近于其点阵常数的电子束照射晶体样品，由于入射电子与晶体内周期地规则排列的原子的交互作用，晶体将作为二维或三维光栅产生衍射效应，根据由此获得的衍射花样研究晶体结构的技术，称为电子衍射。这是1927年分别由戴维孙(C.T.Davison)和革末(L.H.Germer),以及汤姆孙(G.P.Thomson)独立完成的著名实验。和X射线衍射一样，电子衍射也遵循劳厄(M.vonLaue)方程或布喇格(W.L.Bragg)方程。由于电子与物质的交互 电子衍射作用远比X射线与物质的交互作用强烈，因而在金属和合金的微观分析中特别适用于对含少量原子的样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。

三维晶体点阵的电子衍射能量高于100keV、波长小于0.037埃的电子束在物质中的穿透能力约为0.1μm，相当于几百个原子层。如果以这样的高能电子束作为入射源，则可以从薄膜或微粒的样品中获得表征三维晶体点阵的电子衍射花样。 在电子显微镜中，根据入射电子束的几何性质不同，相应地有两类衍射技术。一类是选区电子衍射或微衍射，它以平行的电子束作为入射源；另一类是会聚束电子衍射(convergentbeamdiffraction),它以具有一定会聚角（一般在±4°以内）的电子束作为入射源。目前这两类技术都有很大发展，并具有各自不同的专门用途。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学