[科普中国]-反射式高能电子衍射装置

反射式高能电子衍射装置(RHEED)是MBE设备上的一个十分重要的部件，用它可在生长的原位观察样品表面的清洁度、平整度、表面结构，通过观察到的曲线确定生长情况。

简介RHEED（反射高能电子衍射仪）是观察晶体生长最重要的实时监测工具之一。它可以通过非常小的掠射角将能量为10～30KeV的单能电子掠射到晶体表面，通过衍射斑点获得薄膜厚度，组分以及晶体生长机制等重要信息。 因此反射高能电子衍射仪已成为MBE、PLD等系统中监测薄膜表面形貌的一种标准化技术。

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(见图)，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。1

仪器结构

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。2

应用

用RHEED可做样品表面动态观测，进行晶体生长动力学过程研究，还可进行表面原子结构的分析、晶格常数测定，并可通过衍射图样分析晶体缺陷，以对外延膜进行评价。

通过RHEED图像，我们可以得到很多有用的信息:

1、清洁样品表面和有序吸附层等的结构分析

如果RHEED图像是条纹，则说明样品表面原子排列的比较有序，样品表面是非常平整的；如果RHEED图像是点状的，则说明样品表面不是非常平整，有局部的突起；如果RHEED图像是模糊不清的，则说明样品表面是粗糙的，电子束已经被多次散射。

2、判别单晶和多晶

一般来说，对于RHEED图像是条纹和点状的，我们可以判断样品是单晶的；如果RHEED图像是环状的，则样品是多晶的。

3、确定样品表面重构，确定薄膜的构成

不同样品平整表面的RHEED图像条纹的间距是不同的，由于RHEED图像是晶体点阵在侄l易空间的衍射投影，晶格常数大的其RHEED条纹间距要比晶格常数小的衍射条纹小。1

晶体的监测

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。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学