Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Электронография

Как нам уже хорошо известно (гл. 6), “рассеивающей материей” при дифракции электронов является электростатический потенциал ф(г), играющий здесь такую же роль, как электронная плотность р(г) при рассеянии рентгеновских лучей. Рассеяние электронной волны объектом в кинематическом приближении описывается с помощью общих формул интеграла Фурье, атомной амплитуды, структурной амплитуды (см. §5 гл. 6).

Электроны взаимодействуют с веществом намного сильнее, чем рентгеновские лучи (глава 6). Основные особенности электронографического метода:

  • 1) дифракция электронов происходит в тонких слоях вещества (10-7-10-5 см),
  • 2) зависимость /, от атомного номера рассеивающих атомов слабее, чем в рентгенографии (? ~ ?иг),
  • 3) исследования проводятся в высоком вакууме.

Рассеяние электронов на потенциале ф(г) дает возможность из экспериментальных структурных амплитуд Рн электронов получать путем построения рядов Фурье это распределение:

Потенциал кристалла представляет собой, как и электронная плотность р(г), всюду положительную трехмерно-периодическую функцию, максимумы пиков потенциала определяются положением ядер атомов. Вследствие относительно более слабой зависимости от атомного номера пики легких атомов в присутствии тяжелых в электронографии выявляются лучше, чем при рентгеновской дифракции. Это используется, например, для обнаружения атомов водорода в органических соединениях, углерода в карбидах металлов и т.п. Определение высот пиков позволяет оценивать ионизацию ато- ов, а в случае дефектных структур вычислять процент заселенности той или иной позиции.

На рисунке 13.1 представлена принципиальная схема электронографа дифракции электронов высокой энергии (ДЭВЭ). Электроны ускоряются в электронной пушке напряжением 50-100 кв, проходят через диафрагмы, фокусируются магнитной линзой, рассеиваются образцом, находящимся на кристаллодержателе, который позволяет перемещать и поворачивать объект в пучке. Сечение пучка на образце около 0.2 мм2. Углы рассеяния не превышают 3-5°. Расстояние образец - экран Ь составляет обычно 500-700 мм. Дифракция наблюдается визуально на флюоресцирующем экране, который при съемке заменяется фотопластинкой. Экспозиции составляют несколько секунд. Возможна и электрическая регистрация счетчиком. В специальных приборах для изучения энергетического распределения рассеянных электронов и, в особенности, для удаления неупруго рассеянных электронов после их прохождения через образец применяют противополе.

Рис. 13.1. Схема колонны электронографа. 1 - электронная пушка, 2 - блок электромагнитных линз, 3

  • - столик для образцов, 4 - камера, 5 - микроскоп для рассматривания изображения на экране, 6 - тубус, 7
  • - фотокамера [1].

Электронограф как прибор весьма близок к электронному микроскопу, в котором, однако, рассеянные пучки далее собираются электронной оптикой. Комбинация обоих методов дает богатые возможности параллельного наблюдения изображения рассеивающего участка и дифракции от него (микродифракции).

Препараты при исследовании на прохождение наносятся на тончайшую (до 1(Г7 см) органическую или угольную подложку из раствора или суспензии.

При съемке на отражение исследуются массивные образцы, падающий пучок направляют почти параллельно поверхности, и он, проникая на очень небольшую глубину или проходя через микровыступы поверхности, испытывает дифракцию. В этом случае наблюдается только половина дифракционного поля. Имеются приборы с ускоряющим напряжением до нескольких сотен киловольт, что открывает ряд дополнительных возможностей.

В электронографии молекул пучок электронов направляют на выпускаемую из сопла струю исследуемого газа или пара.

Малая длина волны быстрых электронов (0.05 А) значительно упрощает геометрическую теорию электронограмм. Радиус сферы Эвальда велик, эта сфера практически вырождается в плоскость и электронограмма представляет собой прямое изображение плоского сечения обратной решетки. Основная расчетная формула, связывающая расстояние г рефлекса на электронограмме от центрального пятна с с!ш, имеет вид

где Ь - расстояние препарат - фотопластинка, ЬХ - параметр прибора. Другими словами, сечение обратной решетки непосредственно представлено на электронограмме в масштабе ЬХ. Выражение (13.2) получается из формулы Вульфа-Брэгга в приближении вшб ~ 0, так как углы рассеяния электронов не превышают 5 .

Электронограммы от монокристалла выявляют, таким образом, соответствующую ориентации образца зону отражений. По точечным электронограммам определяются ячейка и лауэвекая симметрия кристалла.

Большое распространение в электронографии получили электронограммы от текстур. При осаждении кристалликов на плоскую подложку они часто ориентируются какой-либо определенной, хорошо развитой гранью параллельно подложке, но азимутальная ориентация оказывается произвольной. Это эквивалентно вращению обратной решетки вокруг ее оси, перпендикулярной той грани, которая параллельна подложке. В настоящее время разработана полная теория индицирования электронограмм косых текстур от кристаллов любых сингоний и определения по ним элементарной ячейки.

Электронограммы от поликристаллических образцов аналогичны Дебаеграммам. Они представляют собой систему колец, но расшифровка их более проста из-за справедливости соотношения (13.2). Электронограммы на отражение используются главным образом для диагностики фазового состава и совершенства структуры поверхностей и эпитаксиальных пленок.

Интенсивности /„ отражений от кристалла определяются квадратом величины структурной амплитуды, вычисляемой

где^л - атомный фактор для электронов.

Вследствие сильного взаимодействия электронов с веществом в электронографии уже при сравнительно малых толщинах А кристаллов наблюдается переход от кинематического к динамическому рассеянию. Оценку области применимости кинематической теории дает соотношение

где <Р(ИкГ)> - среднее абсолютное значение Р(ИкГ).

Оценки показывают, что для не очень сложных структур из атомов со средним атомным номером А ~ 300-500 А.

Описанная выше специфика метода позволяет использовать его при исследовании ряда важных классов объектов, в том числе встречающихся только в высокодисперсном состоянии и, поэтому, малодоступных для рентгеновского метода.

Так как на поверхности кристалла происходит обрыв периодического потенциала решетки, расположение атомов на поверхности в принципе может отличаться от их расположения в объеме. Иными словами, структура тонкого поверхностного слоя может не совпадать со структурой остальной части кристалла. Проникающая способность электронов с энергией 10-300 эв порядка нескольких атомных плоскостей, поэтому дифракция электронов низких энергий (ДЭНЭ) является эффективным методом исследования поверхностей кристаллов: расположения на ней атомов, характера их тепловых колебаний и т.д.

В электронографах для ДЭНЭ начальный пучок падает нормально или под углом ~45° к поверхности образца. Исследование проводится в вакууме 10_,°—10-12 мм рт. ст. Упруго рассеянные пучки, образующие дифракционную картину, дают информацию о структуре нескольких слоев, близлежащих к поверхности, а в пределе - о структуре моноатомного поверхностного слоя.

Геометрия электронограмм в первом приближении определяется двумерной поверхностной решеткой. Ряд заключений можно сделать и из интенсивностей отражений. Однако, однозначная интерпретация электронограмм сильно затруднена многократным рассеянием электронов. Дополнительные сведения об энергетическом спектре, химическом составе и валентных состояниях дает ожеспектроскопия рассеянных электронов.

Метод электронной оже-спектроскопии основан на том, что энергетический спектр оже-электронов (т.е. электронов, возбуждаемых с внутренних оболочек атомов), испускаемых с поверхности образца при падении на нее первичного пучка электронов (Е = 3—10 эв), зависит от природы или сорта атомов, находящихся на поверхности.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>