Difrakce rychlých elektronů , zkr. RHEED ( reflexní vysokoenergetická elektronová difrakce , zkr . RHEED) [1] je metoda pro studium struktury povrchu pevných látek , založená na analýze difrakčních obrazců elektronů s energií 5-100 keV , elasticky rozptýlených ze zkoumaného povrchu pod úhly pastvy.
Citlivosti na povrchovou strukturu v RHEED je dosaženo tím, že primární paprsek dopadá na studovaný povrch pod malým úhlem skluzu řádově 1–5°, a také tím, že pouze difrakční paprsky vystupující pod malými úhly k povrchu jsou detekovány. Výsledkem je, že elektrony zůstávají po celé své volné dráze v tenké oblasti blízkého povrchu . Například elektrony s energií 50-100 keV, které mají střední volnou dráhu asi 100 nm, pod úhlem dopadu asi 1° pronikají do hloubky ne větší než 1 nm .
Reflexní vysokoenergetická elektronová difrakce (RHEED) je běžná metoda pro analýzu povrchové struktury filmů v procesu epitaxe molekulárního svazku (MBE). Široké rozšíření této metody je způsobeno snadností použití techniky a přítomností velkého volného prostoru před vzorkem. Další výhodou RHEED (na rozdíl od pomalé elektronové difrakce, LEED) je to, že díky velkému energetickému rozdílu mezi elasticky rozptýlenými elektrony a neelastickým rozptylovým pozadím není potřeba pečlivé filtrování energie. A energetická dostatečnost primárních elektronů k vybuzení záře luminiscenčního stínítka nevyžaduje jejich opětovné urychlení. [2]
Pro studium povrchu metodou RHEED je nutné mít experimentální zařízení, ve kterém paprsek vysokoenergetických elektronů z elektronového děla dopadá na povrch vzorku pod úhlem skluzu a difraktované elektronové paprsky vytvářejí obrazec RHEED na fluorescenčním záření. obrazovka. Jako příklad lze uvést vzor RHEED z atomově čistého povrchu Si(111)7×7 . Držák vzorku je umístěn na platformě, která umožňuje otáčení vzorku pro získání vzorů RHEED v různých azimutálních směrech .
RHEED umožňuje kontinuálně (in situ) sledovat růst epitaxních filmů na povrchu díky tomu, že se přední část vzorku stává přístupnou pro odpařující se zdroje. Velký zájem o MBE, jako metodu pěstování materiálů pro polovodičová zařízení, měl stimulační vliv na použití RHEED.
Kromě zlepšeného přístupu k povrchu, který poskytuje geometrie RHEED ve srovnání s LEED, má tato metoda další výhody při studiu epitaxního růstu a procesů na vícevrstvých površích. Zejména použití nízkých úhlů pastvy činí tuto metodu citlivou na mikroreliéf. Pokud LEED (obvykle při kolmém dopadu) vybere dobře uspořádané povrchové oblasti s orientací blízkou střední orientaci povrchu, pak dopadající elektrony proniknou drsností na povrchu, pokud je mikroskopicky hladký. To zvyšuje požadavky na přípravu vzorků pro analýzu RHEED, ale zároveň to znamená, že tato metoda dokáže detekovat změny v morfologii povrchu. Pokud například epitaxní růst vede k růstu ostrůvků na povrchu, pak vzor odrazu pastvy od rovného povrchu, který byl pozorován v nepřítomnosti ostrůvků, bude nahrazen vzorem obsahujícím difrakční odrazy od trojrozměrných objektů . To může být použito například pro stanovení tloušťky smáčecí vrstvy pseudomorfního filmu a pro určení orientace ploch ostrůvků [12].
Přestože se v poslední době téměř v každém výzkumném týmu objevilo diagnostické zařízení ( STM , AFM ) , poskytující vizuální informace o povrchové struktuře a procesech probíhajících během růstu, přesto metoda rychlé elektronové difrakce díky své jednoduchosti, nízké ceně a výhodnosti geometrie, zůstává nedílnou součástí diagnostického zařízení v instalacích epitaxe molekulárním paprskem pro materiály, které nejsou zničeny vlivem elektronového bombardování.
Kromě analýzy struktury povrchu filmu umožňuje záznam oscilací zrcadlově odraženého svazku rychlých elektronů od povrchu rostoucího filmu měřit rychlost růstu filmu a řídit jeho složení a tloušťku. Analýzou povahy oscilací lze studovat realizované růstové mechanismy, určit parametry povrchové difúze a začlenění adatomů .
Kvalitativní obraz výskytu oscilací RHEED je znázorněn na Obr. 2.3. Atomově hladký povrch poskytuje maximální intenzitu zrcadlového odrazu. Vznik dvourozměrných ostrůvků o výšce jedné monovrstvy vede ke snížení intenzity zrcadlového odrazu, který je spojen s rozptylem odraženého paprsku atomárními kroky. Pokles intenzity nastává až do stupně naplnění a = 0,5 a poté začne intenzita opět narůstat. Nárůst intenzity je spojen s koalescencí dvourozměrných ostrůvků a v důsledku toho se zvýšením hladkosti povrchu. Při u = 1, kdy se povrch opět atomicky vyhladí, se intenzita zrcadlového odrazu blíží své počáteční hodnotě. Tento cyklus změny intenzity se mnohokrát opakuje, jak rostou další vrstvy. [2]
Metoda RBE umožňuje: