Odbicie dyfrakcji wysokoenergetycznych elektronów

Refleksyjna dyfrakcja wysokoenergetycznych elektronów ( RHEED ) to technika stosowana do charakteryzowania powierzchni materiałów krystalicznych . Systemy RHEED zbierają informacje tylko z warstwy powierzchniowej próbki, co odróżnia RHEED od innych charakteryzacji materiałów , które również opierają się na dyfrakcji wysokoenergetycznych elektronów . Transmisyjna mikroskopia elektronowa , kolejna powszechna dyfrakcja elektronów metoda pobiera głównie większość próbki ze względu na geometrię układu, chociaż w szczególnych przypadkach może dostarczyć informacji o powierzchni. Dyfrakcja elektronów o niskiej energii (LEED) jest również wrażliwa na powierzchnię, ale LEED osiąga czułość powierzchniową dzięki zastosowaniu elektronów o niskiej energii.

Wstęp

System RHEED wymaga źródła elektronów (pistoletu), ekranu detektora fotoluminescencyjnego i próbki o czystej powierzchni, chociaż nowoczesne systemy RHEED mają dodatkowe części, aby zoptymalizować technikę. Działo elektronowe generuje wiązkę elektronów, które uderzają w próbkę pod bardzo małym kątem w stosunku do powierzchni próbki. Padające elektrony uginają się od atomów na powierzchni próbki, a niewielka część ugiętych elektronów interferuje konstruktywnie pod określonymi kątami i tworzy regularne wzory na detektorze. Elektrony interferują w zależności od położenia atomów na powierzchni próbki, więc wzór dyfrakcyjny na detektorze jest funkcją powierzchni próbki. Rysunek 1 przedstawia najbardziej podstawową konfigurację systemu RHEED.

Rysunek 1 . Systematyczna konfiguracja wyrzutni elektronowej, próbki i detektora/CCD systemu RHEED. Elektrony podążają ścieżką wskazaną przez strzałkę i zbliżają się do próbki pod kątem θ. Powierzchnia próbki ugina elektrony, a niektóre z tych ugiętych elektronów docierają do detektora i tworzą wzór RHEED. Odbita (zwierciadlana) wiązka podąża drogą od próbki do detektora.

Dyfrakcja powierzchniowa

W konfiguracji RHEED tylko atomy na powierzchni próbki przyczyniają się do powstania wzoru RHEED. Kąt padania padających elektronów pozwala im uciec od większości próbki i dotrzeć do detektora. Atomy na powierzchni próbki uginają (rozpraszają) padające elektrony ze względu na falowe właściwości elektronów.

Ugięte elektrony interferują konstruktywnie pod określonymi kątami, zgodnie ze strukturą kryształu i odstępami między atomami na powierzchni próbki oraz długością fali padających elektronów. Niektóre fale elektronowe powstałe w wyniku konstruktywnej interferencji zderzają się z detektorem, tworząc specyficzne wzory dyfrakcyjne w zależności od cech powierzchni próbki. Użytkownicy charakteryzują krystalografię powierzchni próbki poprzez analizę wzorów dyfrakcyjnych. Rysunek 2 przedstawia wzór RHEED. Wideo 1 przedstawia instrument metrologiczny rejestrujący oscylacje intensywności RHEED i szybkość osadzania w celu kontroli i analizy procesu.

Rysunek 2 . Wzór RHEED uzyskany z dyfrakcji elektronów z czystej powierzchni TiO2 (110). Jasne punkty wskazują, gdzie wiele elektronów dociera do detektora. Linie, które można zaobserwować, to Linie Kikuchi .

Dwa rodzaje dyfrakcji przyczyniają się do wzorów RHEED. Niektóre padające elektrony podlegają pojedynczemu, elastycznemu zdarzeniu rozpraszania na powierzchni kryształu, procesowi zwanemu rozpraszaniem kinematycznym. Rozpraszanie dynamiczne występuje, gdy elektrony przechodzą wiele zdarzeń dyfrakcyjnych w krysztale i tracą część swojej energii w wyniku interakcji z próbką. Użytkownicy wydobywają dane niejakościowe z kinematycznie ugiętych elektronów. Te elektrony odpowiadają za plamy lub pierścienie o wysokiej intensywności, wspólne dla wzorów RHEED. Użytkownicy RHEED analizują również dynamicznie rozproszone elektrony za pomocą złożonych technik i modeli, aby zebrać informacje ilościowe z wzorców RHEED.

Analiza rozpraszania kinematycznego

Użytkownicy RHEED konstruują kule Ewalda , aby znaleźć właściwości krystalograficzne powierzchni próbki. Sfery Ewalda przedstawiają dopuszczalne warunki dyfrakcji dla elektronów rozproszonych kinematycznie w danym układzie RHEED. Wzór dyfrakcyjny na ekranie odnosi się do geometrii kuli Ewalda, więc użytkownicy RHEED mogą bezpośrednio obliczyć odwrotność siatki próbki za pomocą wzoru RHEED, energii padających elektronów i odległości od detektora do próbki. Użytkownik musi powiązać geometrię i rozmieszczenie plam doskonałego wzoru z kulą Ewalda, aby określić odwrotność sieci powierzchni próbki.

Analiza kuli Ewalda jest podobna do tej dla kryształów w masie, jednak odwrotna sieć dla próbki różni się od tej dla materiału 3D ze względu na czułość powierzchniową procesu RHEED. Odwrotne sieci kryształów w masie składają się z zestawu punktów w przestrzeni 3D. Jednak tylko kilka pierwszych warstw materiału bierze udział w dyfrakcji w RHEED, więc nie ma warunków dyfrakcji w wymiarze prostopadłym do powierzchni próbki. Ze względu na brak trzeciego warunku dyfrakcyjnego odwrotna siatka powierzchni kryształu to szereg nieskończonych prętów rozciągających się prostopadle do powierzchni próbki. Pręty te pochodzą z konwencjonalnych odwrotnych punktów sieci 2D na powierzchni próbki.

Kula Ewalda jest wyśrodkowana na powierzchni próbki o promieniu równym wielkości wektora falowego padających elektronów,

{\ Displaystyle k_ {i} = {\ Frac {2 \ pi} {\ lambda}}}

,

długością fali de Broglie'a elektronów .

Rysunek 3 . Konstrukcja kuli Ewalda dla dyfrakcji sprężystej w RHEED. Promień kuli Ewalda jest równy wartości wektora falowego ki przychodzącego elektronu _, który kończy się na początku dwuwymiarowej odwrotnej sieci. Wektor falowy wychodzącego elektronu k _hl odpowiada dozwolonym warunkom dyfrakcji, a różnica między składowymi równoległymi do powierzchni dwóch wektorów falowych to odwrotny wektor sieciowy G _hl .

Warunki dyfrakcyjne są spełnione, gdy pręty odwrotnej sieci przecinają kulę Ewalda. Dlatego wielkość wektora od początku kuli Ewalda do przecięcia dowolnych odwrotnych prętów kratowych jest równa wielkości wiązki padającej. Wyraża się to jako

${\ Displaystyle | k_ {hl} | = | k_ {i} |}$ (2)

Tutaj k _hl jest wektorem falowym elastycznie ugiętych elektronów rzędu (hl) na dowolnym przecięciu odwrotnych prętów sieci ze sferą Ewalda

Rzuty dwóch wektorów na płaszczyznę powierzchni próbki różnią się odwrotnością wektora sieciowego G _hl ,

${\ Displaystyle G_ {hl} = k_ {hl} ^ {||} -k_ {i} ^ {||}}$ (3)

Rysunek 3 przedstawia budowę kuli Ewalda i podaje przykłady wektorów G, k _hl_i ki .

Wiele odwrotnych prętów kratowych spełnia warunek dyfrakcji, jednak system RHEED jest zaprojektowany w taki sposób, że na detektor padają tylko niskie rzędy dyfrakcji. Wzór RHEED na detektorze jest rzutem tylko k wektorów, które znajdują się w zakresie kątowym, który zawiera detektor. Rozmiar i położenie detektora określają, które z ugiętych elektronów znajdują się w zakresie kątowym docierającym do detektora, więc geometria wzoru RHEED może być powiązana z geometrią odwrotnej siatki powierzchni próbki za pomocą relacji trygonometrycznych oraz odległość od próbki do detektora.

Wektory k są oznaczone w taki sposób, że wektor k00, który tworzy najmniejszy kąt z powierzchnią próbki, nazywany jest wiązką zerowego rzędu. Wiązka zerowego rzędu jest również znana jako wiązka zwierciadlana. Każde kolejne przecięcie pręta i kuli dalej od powierzchni próbki jest oznaczane jako odbicie wyższego rzędu. Ze względu na położenie środka kuli Ewalda wiązka zwierciadlana tworzy z podłożem ten sam kąt, co padająca wiązka elektronów. Punkt zwierciadlany ma największą intensywność we wzorze RHEED i zgodnie z konwencją jest oznaczony jako punkt (00). Pozostałe punkty we wzorze RHEED są indeksowane zgodnie z porządkiem odbicia, na którym się opierają.

Promień kuli Ewalda jest znacznie większy niż odstęp między odwrotnymi prętami sieci, ponieważ padająca wiązka ma bardzo krótką długość fali ze względu na wysokoenergetyczne elektrony. Rzędy odwrotnych prętów kratowych faktycznie przecinają kulę Ewalda jako przybliżoną płaszczyznę, ponieważ identyczne rzędy równoległych odwrotnych prętów kratowych znajdują się bezpośrednio przed i za pokazanym pojedynczym rzędem. Rycina 3 przedstawia przekrój poprzeczny pojedynczego rzędu odwrotnych prętów sieciowych wypełniających warunki dyfrakcyjne. Wzajemne pręty siatki na rysunku 3 pokazują koniec w widoku tych płaszczyzn, które są prostopadłe do ekranu komputera na rysunku.

Przecięcia tych efektywnych płaszczyzn ze sferą Ewalda tworzą okręgi, zwane okręgami Lauego. Wzór RHEED to zbiór punktów na obwodach koncentrycznych okręgów Laue wokół punktu środkowego. Jednak efekty interferencji między ugiętymi elektronami nadal dają silne intensywności w pojedynczych punktach na każdym okręgu Laue'a. Rysunek 4 przedstawia przecięcie jednej z tych płaszczyzn ze sferą Ewalda.

Rysunek 4 . Dyfrakcja z rzędu atomów na okręgu Lauego na powierzchni kuli Ewalda. Wzajemne pręty kratowe są tak blisko siebie, że tworzą płaszczyznę przecinającą kulę. Warunki dyfrakcyjne są spełnione na obwodzie koła Lauego. Wszystkie wektory są równe odwrotności wektora incydentu, k.

Kąt azymutu wpływa na geometrię i intensywność wzorów RHEED. Kąt azymutalny to kąt, pod którym padające elektrony przecinają uporządkowaną sieć krystaliczną na powierzchni próbki. Większość systemów RHEED jest wyposażona w uchwyt próbki, który może obracać kryształ wokół osi prostopadłej do powierzchni próbki. Użytkownicy RHEED obracają próbkę, aby zoptymalizować profile intensywności wzorów. Użytkownicy na ogół indeksują co najmniej 2 skany RHEED pod różnymi kątami azymutu, aby uzyskać wiarygodną charakterystykę struktury powierzchni kryształu. Rycina 5 przedstawia schematyczny diagram wiązki elektronów padającej na próbkę pod różnymi kątami azymutu.

Rysunek 5 . Spadająca wiązka elektronów pada na identyczną strukturę powierzchni pod różnymi kątami a) i b). Próbka jest oglądana z góry na rysunku, a punkty odpowiadają odwrotnym prętom kratownicowym, które wystają poza ekran. Wzór RHEED byłby inny dla każdego kąta azymutu.

Użytkownicy czasami obracają próbkę wokół osi prostopadłej do powierzchni próbkowania podczas eksperymentów RHEED, aby utworzyć wzór RHEED zwany wykresem azymutalnym. Obracanie próbki zmienia intensywność ugiętych wiązek ze względu na ich zależność od kąta azymutu. Specjaliści RHEED charakteryzują morfologie warstw mierząc zmiany natężenia wiązki i porównując te zmiany z obliczeniami teoretycznymi, które mogą skutecznie modelować zależność intensywności ugiętych wiązek od kąta azymutu.

Dynamiczna analiza rozpraszania

Dynamicznie lub nieelastycznie rozproszone elektrony dostarczają również kilku rodzajów informacji o próbce. Jasność lub intensywność w punkcie detektora zależy od rozpraszania dynamicznego, więc wszystkie analizy dotyczące intensywności muszą uwzględniać rozpraszanie dynamiczne. Niektóre nieelastycznie rozproszone elektrony penetrują kryształ objętościowy i spełniają warunki dyfrakcji Bragga. Te nieelastycznie rozproszone elektrony mogą dotrzeć do detektora, aby uzyskać wzory dyfrakcyjne Kikuchiego, które są przydatne do obliczania warunków dyfrakcji. Wzory Kikuchi charakteryzują się liniami łączącymi punkty intensywnej dyfrakcji na wzorze RHEED. Rysunek 6 przedstawia wzór RHEED z widocznym Linie Kikuchi .

Rysunek 6 . Wzór RHEED z powierzchni TiO ₂ (110) z widocznymi liniami Kikuchi. Linie Kikuchi przechodzą przez okręgi Laue i wydają się promieniować ze środka wzoru.

Wymagania systemowe RHEED

Działo elektronowe

Działo elektronowe jest jednym z najważniejszych elementów wyposażenia systemu RHEED. Pistolet ogranicza rozdzielczość i limity testowe systemu. wolframowe są głównym źródłem elektronów dla działa elektronowego większości systemów RHEED ze względu na niską funkcję wyjściową wolframu. W typowej konfiguracji żarnik wolframowy jest katodą, a dodatnio spolaryzowana anoda pobiera elektrony z końcówki żarnika wolframowego.

Wielkość polaryzacji anody określa energię padających elektronów. Optymalne odchylenie anody zależy od rodzaju żądanej informacji. Przy dużych kątach padania elektrony o dużej energii mogą penetrować powierzchnię próbki i obniżać czułość powierzchniową instrumentu. Jednak wymiary stref Lauego są proporcjonalne do odwrotności kwadratu energii elektronów, co oznacza, że więcej informacji jest rejestrowanych w detektorze przy wyższych energiach padających elektronów. Do ogólnej charakteryzacji powierzchni działa elektronowe działa w zakresie 10-30 keV.

W typowym układzie RHEED jedno pole magnetyczne i jedno pole elektryczne skupiają padającą wiązkę elektronów. Ujemnie spolaryzowana elektroda Wehnelta umieszczona między żarnikiem katody a anodą wytwarza małe pole elektryczne, które skupia elektrony przechodzące przez anodę. Regulowana soczewka magnetyczna skupia elektrony na powierzchni próbki po przejściu przez anodę. Typowe źródło RHEED ma ogniskową około 50 cm. Wiązka jest skupiana w najmniejszym możliwym punkcie detektora, a nie na powierzchni próbki, dzięki czemu obraz dyfrakcyjny ma najlepszą rozdzielczość.

Ekrany fosforowe wykazujące fotoluminescencję są szeroko stosowane jako detektory. Detektory te emitują zielone światło z obszarów, w których elektrony uderzają w ich powierzchnię i są również wspólne dla TEM. Ekran detektora jest przydatny do ustawienia wzoru w optymalnej pozycji i intensywności. Kamery CCD rejestrują wzorce, aby umożliwić analizę cyfrową.

Powierzchnia próbki

Powierzchnia próbki musi być wyjątkowo czysta, aby eksperymenty RHEED były skuteczne. Zanieczyszczenia na powierzchni próbki zakłócają wiązkę elektronów i pogarszają jakość wzoru RHEED. Użytkownicy RHEED stosują dwie główne techniki tworzenia czystych powierzchni próbek. Małe próbki można rozszczepić w komorze próżniowej przed analizą RHEED. Nowo odsłonięta, rozłupana powierzchnia jest analizowana. Duże próbki lub takie, których nie można rozszczepić przed analizą RHEED, można przed analizą pokryć pasywną warstwą tlenku. Późniejsza obróbka cieplna pod próżnią w komorze RHEED usuwa warstwę tlenku i odsłania czystą powierzchnię próbki.

Wymagania dotyczące próżni

Ponieważ cząsteczki gazu uginają elektrony i wpływają na jakość działa elektronowego, eksperymenty RHEED przeprowadza się w próżni. System RHEED musi działać przy ciśnieniu na tyle niskim, aby zapobiec znacznemu rozproszeniu wiązek elektronów przez cząsteczki gazu w komorze. Przy energiach elektronów 10 keV ciśnienie w komorze wynosi ^10-5 mbar lub mniej jest konieczne, aby zapobiec znacznemu rozpraszaniu elektronów przez gaz tła. W praktyce systemy RHEED działają w warunkach bardzo wysokiej próżni. Ciśnienie w komorze jest minimalizowane do minimum w celu optymalizacji procesu. Warunki próżni ograniczają rodzaje materiałów i procesów, które można monitorować na miejscu za pomocą RHEED.

Wzory RHEED rzeczywistych powierzchni

Wcześniejsza analiza koncentrowała się wyłącznie na dyfrakcji z idealnie płaskiej powierzchni kryształu. Jednak niepłaskie powierzchnie dodają dodatkowe warunki dyfrakcyjne do analizy RHEED.

Smugi lub wydłużone plamy są wspólne dla wzorów RHEED. Jak pokazuje ryc. 3, odwrotne pręty kratowe o najniższych rzędach przecinają kulę Ewalda pod bardzo małymi kątami, więc przecięcie między prętami a kulą nie jest punktem osobliwym, jeśli kula i pręty mają grubość. Padająca wiązka elektronów rozchodzi się, a elektrony w wiązce mają różne energie, więc w praktyce kula Ewalda nie jest nieskończenie cienka, jak to teoretycznie modelowano. Odwrotne pręty kratowe mają również skończoną grubość, a ich średnice zależą od jakości powierzchni próbki. Smugi pojawiają się w miejscach doskonałych punktów, gdy poszerzone pręty przecinają kulę Ewalda. Warunki dyfrakcyjne są spełnione na całym przecięciu prętów z kulą, dając wydłużone punkty lub „smugi” wzdłuż pionowej osi wzoru RHEED. W rzeczywistych przypadkach smugowate wzory RHEED wskazują na płaską powierzchnię próbki, podczas gdy poszerzenie smug wskazuje na mały obszar koherencji na powierzchni.

Rysunek 7 . Wzór smug RHEED z powierzchni TiO ₂ (110). Próbka miała powierzchnię tarasową, co powodowało zauważalne smugi w porównaniu z wzorem RHEED z płaskiej powierzchni TiO2 ₍ 110) pokazanej powyżej.

Cechy powierzchni i powierzchnie polikrystaliczne zwiększają złożoność lub zmieniają wzory RHEED z idealnie płaskich powierzchni. Rosnące warstwy, cząstki zarodkujące, bliźniacze kryształy, ziarna o różnej wielkości i zaadsorbowane gatunki dodają skomplikowane warunki dyfrakcyjne do warunków idealnej powierzchni. Nałożone na siebie wzory podłoża i materiałów niejednorodnych, złożone wzory interferencyjne oraz degradacja rozdzielczości są charakterystyczne dla powierzchni złożonych lub częściowo pokrytych materiałami niejednorodnymi.

Specjalistyczne techniki RHEED

Wzrost filmu

RHEED jest niezwykle popularną techniką monitorowania wzrostu cienkich warstw. W szczególności RHEED dobrze nadaje się do stosowania z epitaksją z wiązek molekularnych (MBE), procesem stosowanym do tworzenia wysokiej jakości ultraczystych cienkich warstw w warunkach wzrostu w ultrawysokiej próżni. Intensywność poszczególnych plam na wzorze RHEED zmienia się okresowo w wyniku względnego pokrycia powierzchni rosnącej cienkiej warstwy. Rycina 8 przedstawia przykład fluktuacji intensywności w pojedynczym punkcie RHEED podczas wzrostu MBE.

Rysunek 8 . Krzywa jest przybliżonym modelem fluktuacji intensywności pojedynczego punktu RHEED podczas osadzania MBE. Każdy pik reprezentuje tworzenie się nowej monowarstwy. Ponieważ stopień uporządkowania jest maksymalny po utworzeniu nowej monowarstwy, plamki na obrazie dyfrakcyjnym mają maksymalną intensywność, ponieważ maksymalna liczba centrów dyfrakcji nowej warstwy składa się na ugiętą wiązkę. Ogólna intensywność oscylacji spada wraz z rosnącą liczbą warstw. Dzieje się tak dlatego, że wiązka elektronów była skupiona na pierwotnej powierzchni i traci ostrość w miarę wzrostu kolejnych warstw. Zwróć uwagę, że figura jest tylko modelem podobnym w kształcie do tych używanych przez ekspertów od wzrostu filmu.

Każdy pełny okres odpowiada powstawaniu cienkiej warstwy pojedynczej warstwy atomowej. Okres oscylacji w dużym stopniu zależy od układu materiałowego, energii elektronów i kąta padania, dlatego badacze uzyskują dane empiryczne w celu skorelowania intensywności oscylacji i pokrycia filmu przed użyciem RHEED do monitorowania wzrostu filmu.

Wideo 1 przedstawia instrument metrologiczny rejestrujący oscylacje intensywności RHEED i szybkość osadzania w celu kontroli i analizy procesu.

Wideo 1: Oscylacje RHEED w analitycznym systemie RHEED kSA 400

RHEED-TRAXS

Refleksyjna dyfrakcja wysokoenergetycznych elektronów - całkowity kąt odbicia Spektroskopia rentgenowska jest techniką monitorowania składu chemicznego kryształów. RHEED-TRAXS analizuje rentgenowskie linie widmowe emitowane z kryształu w wyniku zderzenia elektronów z pistoletu RHEED z powierzchnią.

RHEED-TRAXS jest preferowany w stosunku do mikroanalizy rentgenowskiej (XMA) (takiej jak EDS i WDS ), ponieważ kąt padania elektronów na powierzchnię jest bardzo mały, zwykle mniejszy niż 5°. W rezultacie elektrony nie wnikają głęboko w kryształ, co oznacza, że emisja promieniowania rentgenowskiego jest ograniczona do górnej części kryształu, co pozwala na monitorowanie stechiometrii powierzchni w czasie rzeczywistym.

Konfiguracja eksperymentalna jest dość prosta. Elektrony są wystrzeliwane na próbkę, powodując emisję promieniowania rentgenowskiego. Te promienie rentgenowskie są następnie wykrywane za pomocą krzemowo - litowego kryształu Si-Li umieszczonego za okienkami berylowymi , służącymi do utrzymywania próżni.

MCP-RHEED

MCP-RHEED to system, w którym wiązka elektronów jest wzmacniana przez płytkę mikrokanałową (MCP). System ten składa się z wyrzutni elektronowej i MCP wyposażonego w ekran fluorescencyjny naprzeciw wyrzutni elektronowej. Dzięki wzmocnieniu intensywność wiązki elektronów może zostać zmniejszona o kilka rzędów wielkości, a uszkodzenia próbek są mniejsze. Metodę tę stosuje się do obserwacji wzrostu izolatorów , takich jak błony organiczne i halogenki metali alkalicznych filmów, które łatwo ulegają uszkodzeniu przez wiązkę elektronów.

Dalsza lektura

Wprowadzenie do RHEED, AS Arrot, Ultrathin Magnetic Structures I, Springer-Verlag , 1994, s. 177–220
Przegląd podstaw geometrycznych RHEED z zastosowaniem do powierzchni krzemowych, John E. Mahan, Kent M. Geib, GY Robinson i Robert G. Long, JVST , A 8, 1990, s. 3692–3700