فرهنگ و تاريخ | سرگرمي | نيازمنديها | مذهبي | اقتصادي | خانواده و اجتماع | هنر | اخبار | ورزش | کامپيوتر | گردشگري | صنعت و دانشگاه | صفحه اصلي

صفحه اول بخش متالورژي
دانشگاه ها و اساتيد متالورژي

آموزش علوم رشته متالورژي

آموزش نرم افزارهاي متالورژي
پروژه هاي تحقيقاتي متالورژي
مراکز تحقيقاتي متالورژي
رده بندي سايتهاي متالورژي
بانک مقالات رشته متالورژي
معرفي متخصصين متالورژي
پايان نامه هاي دانشجويي
مجلات و نشريات متالورژي
گالري عکسهاي متالورژي
 
 

عنوان: پراكنش الكترون كم انرژي (LEED)

نويسنده: خانم ح.دهقان نيري از دانشگاه شهيد رجائي

منبع اطلاعاتي: www.felezat.com

عکس
 

 

گالري تصاوير

 

- - - - -

   
 
 

(LEED) تكنيك اصلي تعيين ساختار و سطح بشمار مي آيد و به يكي از دو طريق زير قابل كاربرد است.
1- از نظر كيفيتي:
زمانيكه الگوي پركنش قابل ثبت بوده و تجزيه و تحليل وضعيت نقاط, اطلاعاتي درباره اندازه, تقارن و محور چرخشي واحد سلولي جاذب با توجه به واحد سلولي زير لايه اي بدست مي دهد.
2 ازنظر مقداري:
زمانيكه شدت انوار پراكنده متنوع بعنوان عملكرد انرژي پرتو الكتروني تابشي و ايجاد كننده منحنيهاي موسوم به I-V محسوب شده و درمقايسه با منحنيهاي تئوريك , اطلاعات دقيقتري در باره وضعيت اتمي ارائه مي دهد.

در اين بخش ما فقط كاربرد كيفي اين تكنيك تجربي را مورد بررسي قرار مي دهيم.
 

 جزئيات آزمون:
آزمون LEED با استفاده از پرتو الكترونهاي كاملاً كم انرژي (نوعاً در حدeV 200 تا 20) كه بطور نرمال بر نمونه مي تابند اجرا مي شود. خود نمونه بايد يك تك كريستال با ساختار سطحي كاملاً مناسب جهت ايجاد الگوي پراكنشي پسرو باشد. نمودار اين آزمون در زير نشان داده شده است.
فقط الكترونهايي با پراكندگي كششي تشكيل دهنده الگوي پراكنشي مي باشند. الكترونهاي كم انرژي (ثانوي) توسط شبكه هاي (فيلتر) انرژي كه براي نمايش الگو در برابر صفحه فلورسنت بكار برده مي شود كنار گذاشته مي شوند.

 

 

 نظريه اصلي LEED :
بر اساس اصل تئوريك ذرات مـوج, پرتو الكترونها را مي توان توالي امـواج الكترون بـطور نرمال تابـنده بر نـمونه تلقي كرد. اين امـواج توسـط نواحي پر تراكم الكتروني(يا بعبارتي اتمهاي سـطح) پراكنده خواهـند شد.اين نواحي بـعنوان پراكنده گرهاي نقطه اي عمل مي نمايـند.طول مـوج الكترونها از رابطه ((de Broglie)) بدست مي آيد

 

 

مثالهاي فوق نشان مي دهد كه دامنه طول موج الكترونهاي بكار برده شده در آزمون LEED با فضاي اتمي قابل قياس است. فضايي كه از شروط لازم بروز اثرات پراكنش مربوط به ساختار اتمي مورد بررسي است.
اولاً فرض كنيد زنجيره اي تك بعدي از اتمها(با فاصله اتمي a)و با تابش الكتروني با زاويه مستقيم بر اين زنجيره داريم, اين ساده ترين مدل ممكن براي پراكنش الكترونها توسط اتمهاي فوقاني ترين سطح جامد است.كه شكل زير نمايشگر جسم جامد متلاقي با پرتو الكتروني تابنده بطور نرمال از واكيوم فوق بر سطح آن است.

 

 

اگر شما پراكنش پسرو يك جبهه موج از دو اتم مجاور را با زاويه كاملاً مشخص & بر سطح نرمال در نظر بگيريم در اينحال كاملاً مشخص است كه(اختلاف مسيري به اندازهd ) در مسيري كه تشعشع بايد از مراكز پراكنش تا يك بررسي گر دور (كه نهايتاً در بينهايت قرار مي گيرد) طي كند وجود دارد.
بزرگي اين اختلاف مسير برابر sin & و مساوي با انتگرال طول موج تداخل مثبت ايجاد شده در هنگام تلاقي نهايي پرتوهاي پراكنده و برخورد آنها با بررسي گر است. شدت پراكندگي براي دو مركز جداگانه پراكنش بتدريج بين صفر(يعني تداخل كاملاً منفي) و مقدار ماکزيمم آن(يعني تداخل كاملاً مثبت) نوسان مي كند. اما شدت پراكنش با وجود پرتوهاي بزرگ دوره اي پراكنده گرها فقط در صورت ايجاد كامل(شرايط برگ) قابل ملاحظه خواهد بود.
تقارن مركزي موجود در كليه الگوهاي پراكنش بازتاب تقارن ساختار سطح است و اندازه آن با جذر انرژي الكترون و بزرگي سلول واحد سطح نسبت معكوس دارد.
بطور مثال ما مي توانيم از يك سطح fcc(110) به الگوي LEED بنگريم در شكل زير ساختار اتمي سطح در سمت چپ از نماي روبرو نمايش داده شده است بطوريكه شما آنرا از موقعيت يك تفنگ الكتروني در آزمون LEED نظاره مي كنيد(گرچه بسيار بزرگ نشان داده شده است)

 

 

 

سپس پرتو الكتروني اوليه بطور نرمال بر اين سطح مي تابد درست مثل اينكه از محل فعلي مشاهده شما شليك گرديده است و جهت پراكنش متقابل پرتوهاي پراكنده از سطح سمت مشخص شما خواهد بود.
الگوي پراكنش در سمت راست چگونگي اثر اين پرتوهاي پراكنده را بر صفحه فلورسنت نشان مي دهد. الگوي مزبور تقارن مستطيلي شكل همسان با سطح زيرين اما(متقابل) به سمت ساختار فضاي واقعي را نشان مي دهد كه ناشي از وابستگي متقابل با قطر امتداد نرمال اتمها است.
الگوي مزبور همچنين حول پرتو(00) تقارن مركزي دارد. اين نقطه مركز الگوي پراكنش محسوب گرديده و معادل پرتوي است با پراكنش پسرو و دقيقاً نرمال نسبت به سطح مورد نظر(يعني حالت n=0 در مدل تك بعدي ما)

 

 

شكل الگوي پراكنش بالا فقط پرتوهاي(اولين رده) را نشان مي دهد يا بعبارتي نشانگر الگوي پراكنش قابل مشاهده در مواقع كم انرژي است و فقط در حالت n=1 كه زاويه پراكنش & بقدر كافي براي پرتوي پراكنده قابل تابش بر صفحه نمايش كوچك مي باشد مصداق دارد. بر عكس شكل زير الگوي پراكنشي را نشان مي دهد كه ممكن است در صورت دو برابر شدن انرژي تابشي الكترونها پيش بيايد يعني زمانيكه بعضي از نقاط رده دوم در اين حالـت قابل رويت بوده و كل الگوي مورد نظر بسـمت نقطه (00) ميل مي كند

 

 

 

اين شكل واقعي يكي از الگوهاي پراكنش است. در صورت وقوع چنين الگوهاي ساده اي از LEED مي توان الگوي پراكنش را بر حسب ميزان پراكندگي رديف اتمهاي سطح توصيف نمود. مثلاً رديفهاي(اتمهاي) در حال نوسان عمودي بر روي صفحه باعث ايجاد يك سري پرتوهاي پراكنده در صفحه افقي و عمودي بر امتداد رديفها شده و به اين شكل به سمت رديف نقاطي كه در امتداد افقي الگوي پراكنش از نقطه(00) عبور مي نمايند(ميل مي كند). با افزايش فاصله رديفها از يكديگر پرتوهاي پراكنده به پرتو مركزي(00) نزديكتر مي شوند. اما اين شيوه,روش چندان مناسبي براي توصيف الگوهاي LEED از سطوح مختلف نيست.
يك روش بهتر براي مشاهده الگوهاي پراكنش LEED استفاده از مفهوم فضاي متقابل است.به عبارت ديگر مي توان بسادگي نتيجه گيري نمود كه: الگوي LEED مورد مشاهده , نمايي مدرج شده از شبكه متقابل ساختار دو بعدي است. شبكه متقابل توسط بردارهاي متقابل تعريف مي شود.
ابتدا ما فقط واحد زير لايه اي را در نظر مي گيريم. بردارهاي متقابل از طريق روابط بازده مدرج با بردارهاي واحد سلولي فضاي واقعي در رابطه اند. براي كسانيكه چندان مهارتي در جبر بردارها ندارند استدلال زير ارائه مي شود.
توجه كنيد: اگر A=0 درجه باشد (cosA=1) در اينحالت مساًله به رابطه متقابل ساده اي بين طول دو بردار a1 و a2 بدل مي شود. دقيقاً همين رابطه آنالوگي در مورد فضا و بردارهاي جاذب ساختار لايه فوقاني صدق مي كند.
بطور تقريب الگوي LEED براي ساختار سطح معين را مي توان با قرار دادن شبكه متقابل جاذب لايه فوقاني(كه توسط b1 و b2 ايجاد مي شود) بر روي شبكه متقابل زير لايه اي ايجاد كرد

 

 

 a1* must be perpendicular to a2

 a2* must be perpendicular to a1

 a1* is parallel to a1  a2* is parallel to a2

 The angle, A , between a1 & a1* is zero  The angle, A , between a2 & a2* is zero

 Hence, | a1*| = 1 / | a1 |

 Hence, | a2*| = 1 / | a2 |

 If we let | a1 | = 1 unit, then | a1*| = 1 unit.  | a2 | = | a1 | = 1 unit, therefore | a2*| = 1 unit.

 

مثال 1 : اكنون به يك مثال توجه كنيد. شكل زير يك سطح fcc(100) را(از نماي روبرو) و با الگوي پراكنش خاص آن(يعني شبكه متقابل) نشان مي دهد.

 

 

ما مي توانيم چگونگي تعيين اين بردارهاي متقابل را با حل مساًله به روش موازي براي دو بردار مربوطه نشان دهيم. اكنون يك لايه فوقاني جاذب را اضافه مي كنيم يعني يك ساختار ساده (2 * 2) با ذرات جاذب كه در محلهاي استقرار فوقاني نشان داده مي شود و همان روش منطقي مورد بالا را براي تعيين بردارهاي متقابل b1 و b2 اين لايه فوقاني بكار مي بريم.
تنها كاري كه اينك بايد انجام دهيم عبارت است از ايجاد شبكه متقابل براي واحد جاذب با استفاده از b1 و b2 (كه با رنگ قرمز نشان داده شده است) همين و بس.

 

 

 b1* must be perpendicular to b2  b2* must be perpendicular to b1

 b1* is parallel to b1  b2* is parallel to b2

 The angle, B , between b1 & b1* is zero  The angle, B , between b2 & b2* is zero

 Hence, | b1*| = 1 / | b1 |  Hence, | b2*| = 1 / | b2 |

 | b1 | = 2| a1 | = 2 units; | b1*| = unit.  | b2 | = 2| a2 | = 2 units; | b2*| = unit.

 

 


مثال 2 : در متال دوم ما به ساختار (2*2)c بر روي همان سطح fcc(100) نگاهي مي اندازيم , شكل زير هر دو ساختار فضاي واقعي (2*2)c و الگوي پراكنش مربوط به آن را نشان مي دهد.

 

 

از بسياري جهات روش تجزيه تحليل بسيار شبيه ساختار p(2*2) است بجز موارد زير:
1. | b1 | = | b2 | = 2 units ; consequently | b1*| = | b2*| = 1/ 2 units.
2- بردارهاي جاذب لايه فوقاني ضمن حفظ هماهنگي با بردارهاي زير لايه اي در حال چرخش 45 درجه اي هستند.
توجه داشته باشيد كه الگوي پراكنش c(2*2) را مي توان از الگوي ساختار ساده با حذف همه نقاط پراكنش مربوطه به لايه جاذب بدست آورد. اين طرحي كلي براي الگوهاي پراكنش ناشي از ساختار هايي با تقارن مركزي است.

پراكنش الكترون پرانرژي(RHEED)

بازتاب پراكنش پرتو الكترون پرانرژي(RHEED)

پراكنش الكترون كم انرژي(LEED) از حساسيت ذاتي سطح الكترونهي كم انرژي براي نمونه گيري از ساختار سطحي بهره مي گيرد. همچنانكه انرژي اوليه الكترون افزايش مي يابد نه تنها وضوح سطح كاهش مي يابد بلكه دو اثر قابل توجه ديگر نيز دارد.

1- پراكنش پيشرو اهمييت بيشتري مي يابد(نقطه مقابل پراكنش پسرو معمول در LEED)
2- زاويه پراكنش (كه با جهت تابش پرتو اندازه گيري مي شود)در پراكنش پسرو به سمت 180 درجه و در پراكنش پيشرو به صفر درجه ميل مي كند. بنابراين بدست آوردن اطلاعات ساختار سطح مورد نظر از طريق شكست انوار الكترونهاي پر انرژي با كار برد تكنيكي ويژه كه آسانترين راه آن نيز استفاده از هندسه بازتاب كه در آن انوار الكترون با زاويه خفيفي تابانده مي شود ميسر مي گردد.نام اين تكنيك بازتاب پراكنش پرتو الكترون پر انرژي(RHEED) است.
 

شكل بالا اصول اوليه آزمون(RHEED) را نشان مي دهد كه نمونه مورد نظر در آن بخوبي قابل مشاهده است. در عمل صفحه نمايش معمولاً با لايه اي از فسفر در درون يك محفظه واكيوم(نماگاه) قرار دارد و الگوي پراكنش از سمت اتمسفريك اين محفظه قابل رويت و بررسي است.زواياي كوچك پراكنش ايجاد شده را مي توان با استفاده از فواصل بزرگتر بين نمونه و صفحه از ميان برد. نمونه را مي توان حول محور نرمال آن چنان دوران داد كه پرتو الكترون در جهت دقيق كريستالو گرافيك بر سطح مورد نظر بتابد. براي درك فرآيند پراكنش در اين تجربه هندسي ما بايد نحوه تعامل انوار الكترون با پرتو معمولي اتمهاي سطح را مورد ملاحظه قرار دهيم. گرچه بايد توجه كرد عليرغم انرژي بالاي الكترونها,كاربرد تلاقي انوار,اجزاي شتاب الكتروني عمود بر سطح را كاهش مي دهد.
در اين شرايط يك الكترون ممكن است مسافت زيادي در درون جسم جامد بپيمايد(در رابطه با مسير طويل و نسبتاً فراخي كه در مقابل چنين الكترونهاي پر انرژي وجود دارد) بدون اينكه مقدار زيادي در درون آن نفوذ نمايد.اين تكنيك تبعاً نسبت به سطح, حساس باقي مي ماند.
اكنون در شكل پايين نماي روبرو از سطحي را ملاحظه مي كنيد كه ما توجه خود را بر يك رديف از اتمها(كه با آبي كم رنگ مشخص شده است)كه در جهت عمود بر تابش پرتو الكترون(تابش از سمت چپ) در حركتند متمركز مي نماييم.

 

 

علاوه بر تغيير شتاب الكترونهاي عمود بر سطح كه منجر به ايجاد بازتاب مورد نظر مي گردد فرآيند پراكنش نيز مي تواند منجر به تغيير شتاب موازي با سطح گردد كه به نوبه خود موجب انحرافي به ميزان زاويه& مي شود كه از نماي روبرو قابل رويت مي باشد. در صورت تساوي اختلاف مسير بين پرتو پراكنده جانبي(يعني سينوس&) و انتگرال طول موج, تداخل مناسب بوجود مي آيد(يعني همان شرط اساسي بر قراري RHEED)اين امر منشاء ايجاد يك دسته پرتو پراكنده با زواياي تابش مختلف در هر دو طرف انوار بازتابي از سطح صيقلي مي گردد

 

 

آيا RHEED هيچگونه مزيتي بر LEED دارد ؟

بر حسب كيفيت الگوي پراكنش مطلقاً خير.
علاوه بر اين با توجه به انوار تابشي و بمظور تعيين سلول واحد سطح, الگوهاي پراكنش بايد حداقل با دو نمونه مورد بررسي قرار گيرند. اما:
1- هـندسه اين آزمـون در مـطالعه الگوي پراكـنش دسـترسي بـيشتر بـه نـمونه مـورد نـظر را ميـسر مي سازد.اين امر بويژه براي مطالعه ساختار سطح مورد نظر در حين رشد لايه اي از سطح مزبور از طريق تبخير منابعي كه در فاصله اي نرمال از سطح نمونه قرار داشته يا بطور همزمان با ساير اندازه گيريها داراي اهمييت است.
2- تجربه نشان داده است كه سنجش سطح اتمي از طريق رشد سطح لايه هاي نازك سطوح فوقاني از طريق سنجش نوسانات شدت انوار پراكنده در الگوي RHEED قابل پيگيري است. بنابراين با كاربرد RHEED سنجش و تبعاً كنترل نرخ رشد لايه اتمي در رشد(لايه فوقاني انوار ملكولي) ساختارهاي ابزار الكترونيكي مـيسر مي شـود. كه اين خود مـهمترين كاربرد اين تكنيك تلقي مي شود.
 

 

 

 

 

گروه علمي فدک

کليه مطالب ارسالي با نام اشخاص و ذکر منبع در اين سايت درج مي شود

راهنما  |  آمار سايت  |  درباره ما  |  تماس با ما  |  نظر خواهي  | آرشيو  |  عضويت در سايت