Дифракция электронов
-
Дифракция электронов
- Изменение направления электронных пучков из-за упругих взаимодействий с атомами
- Электроны рассеиваются под действием кулоновских сил
- Дифракционная картина показывает направление движения электронов
-
История дифракции электронов
- Достижения 19-го века в изучении электронов в вакууме
- Разработки начала 20-го века в области электронных волн
- Появление электронной микроскопии и дифракции в 1920-1935 годах
-
Методы дифракции электронов
- Электроны проходят через тонкий образец толщиной от 1 нм до 100 нм
- Различные способы сбора дифракционной информации
- Использование дифракции обратного рассеяния электронов в СЭМ
-
Уровни анализа дифракции электронов
- Простейшее приближение с использованием длины волны де Бройля
- Кинематическая дифракция и метод дальнего поля
- Динамическая дифракция с использованием релятивистски скорректированного уравнения Шредингера
-
Дифракция электронов и волны
- Материю можно рассматривать как волны
- Волны могут дифрагировать и создавать интерференционные картины
- Дифракция Френеля и Фраунгофера
-
Историческая справка
- Эксперименты с электронными пучками до открытия электрона
- Изобретение вакуумного насоса и трубок Гейслера
- Открытие катодных лучей и их свойств
- Измерение массы катодных лучей и открытие электронов
-
Волны, дифракция и квантовая механика
- Теория электронных волн Луи де Бройля
- Объединение корпускулярной и волновой природы материи
- Влияние квантовой механики на понимание дифракции электронов
-
Волновая механика и уравнение Шредингера
- Эрвин Шредингер разработал уравнение, объединяющее кинетическую и потенциальную энергии волн.
- Уравнение объясняет квантование энергии электронов и другие явления.
- Электронные волны автоматически являются частью решений уравнения.
-
Экспериментальное подтверждение волновой природы электронов
- Дэвиссон и Джермер подтвердили волновую природу электронов в экспериментах.
- Ханс Бете разработал модель дифракции электронов на основе уравнения Шредингера.
- Модель Бете дала более точные результаты, чем подход на основе закона Брэгга.
-
Развитие электронных микроскопов
- Генрих Герц создал электронно-лучевую трубку в 1883 году.
- Макс Кнолль и Эрнст Руска создали первый электронный микроскоп в 1931 году.
- Рейнхольд Руденберг также работал над электронным микроскопом, но неясно, когда у него появился рабочий инструмент.
-
Дифракция электронов в микроскопах
- Ханс Берш показал, что микроскопы можно использовать для дифракции электронов в 1936 году.
- LEED и RHEED стали важными методами для дифракции электронов.
-
Развитие методов и моделирования
- Быстрые численные методы, такие как алгоритм мультиспирания Каули-Муди, позволили быстро вычислять дифракцию.
- Дифракция электронов сходящимся пучком улучшила определение симметрии.
- Прецессионная дифракция электронов и методы трехмерной дифракции уменьшили динамические эффекты.
-
Современные достижения
- Технологии сверхвысокого вакуума улучшили контроль поверхностей.
- Быстрые и точные методы расчета интенсивностей для LEED и RHEED.
- Усовершенствованные детекторы для просвечивающей электронной микроскопии повысили точность измерений.
-
Описание электронов как волн
- Электроны описываются волновой функцией, записанной в кристаллографических обозначениях.
- Волновой вектор k имеет единицы измерения в обратных нанометрах.
- Вектор k используется для построения лучевых диаграмм и в вакууме параллелен направлению или групповой скорости.
-
Релятивистская и нерелятивистская квантовая механика
- Электроны движутся со скоростью, составляющей приличную долю скорости света.
- Релятивистская квантовая механика используется для учета релятивистских эффектов.
- Нерелятивистский подход основан на уравнении Шредингера.
-
Эффективная масса и длина волны электронов
- Эффективная масса m* используется для исключения релятивистских терминов.
- Длина волны электронов в вакууме зависит от энергии и массы.
- Энергия электронов записывается в электронвольтах.
-
Взаимодействие электронов с материалом
- Величина взаимодействия электронов с материалом измеряется через волновой вектор и эффективную массу.
- Электроны высокой энергии взаимодействуют с кулоновским потенциалом.
-
Дифракция электронов
- Дифракция электронов описывается интегралом по плоским волнам.
- Интенсивность дифракционной картины зависит от точек обратной решетки и функции формы.
- В LEED и RHEED функция формы нормальна к поверхности образца.
-
Кинематическая дифракция
- В кинематической теории электроны рассеиваются только один раз.
- Для дифракции просвечивающих электронов используется аппроксимация столбца.
- Интенсивность дифракционного пятна зависит от погрешности возбуждения и толщины образца.
-
Дифракция электронов в ПЭМ
- Дифракция электронов используется для получения информации о кристаллической структуре и симметрии.
- ПЭМ позволяет исследовать образцы с толщиной от нескольких атомов до десятков тысяч атомов.
- Дифракционная картина формируется при прохождении электронного луча через образец.
-
Кинематическая и динамическая дифракция
- Кинематическая дифракция описывает геометрию дифракционных пятен, но не интенсивность.
- Динамическая дифракция учитывает многократное рассеяние электронов и неупругое рассеяние.
- Динамическая дифракция необходима для точного определения интенсивности и деталей дифракции.
-
Линии Кикути
- Линии Кикути образуются при упругом и неупругом рассеянии электронов.
- Они предоставляют информацию об ориентации кристалла и могут использоваться для точной настройки ориентации.
-
Типы и методы дифракции
- Дифракция электронов на выбранной области (SAED) используется для получения информации о крупных зернах.
- Дифракция на монокристалле аналогична двумерной проекции обратной решетки.
- Динамические эффекты дифракции могут приводить к появлению новых дифракционных пятен.
-
Дифракция электронов и ориентация кристаллов
- Наклон образца влияет на дифракционную картину, определяя ориентацию кристалла.
- Метод дифракционной томографии позволяет получить серию дифракционных картин.
-
Поликристаллический узор
- Дифракционные картины зависят от количества и ориентации кристаллитов.
- Текстурированные материалы обеспечивают неравномерное распределение интенсивности.
-
Множество материалов и двойная дифракция
- В сложных случаях дифракционная картина может быть комбинированной.
- Электроны могут дифрагироваться на нескольких кристаллах, создавая сложные результаты.
-
Объемные и надводные надстройки
- Надстройки могут возникать из-за электронного упорядочения, химического порядка или магнитного порядка.
- На поверхностях надстройки могут быть вызваны перестройкой атомов.
-
Непериодические материалы
- В апериодических кристаллах структура описывается более чем тремя векторами.
- Квазикристаллы могут быть описаны с помощью большего числа индексов Миллера.
-
Диффузное рассеяние
- Диффузное рассеяние возникает из-за неупругих процессов и точечных дефектов.
- Пример: образец Nb0.83CoSb демонстрирует диффузную интенсивность из-за вакансий.
-
Дифракция электронов сходящимся пучком
- Сходящийся луч передает информацию из объема образца.
- Анализ дисков требует моделирования и может использоваться для индексации группы кристаллических точек.
-
Прецессионная дифракция электронов
- Метод включает вращение наклонного электронного пучка вокруг оси микроскопа.
- Интегрирование создает квазикинематическую дифракционную картину, подходящую для прямых методов.
-
4D сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (4D STEM)
- Метод использует пиксельный электронный детектор для получения картины дифракции электронов сходящимся пучком (CBED)
- Позволяет получить 2-мерное изображение в обратном пространстве
- Применяется в дифракционно-контрастной визуализации, фазовой ориентации и идентификации, картировании деформаций и визуализации с атомарным разрешением
-
Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED)
- Метод определения структуры поверхности монокристаллических материалов
- Используется для решения задач с поверхностными структурами металлов и полупроводников
- Может быть использован качественно или количественно
-
Дифракция высокоэнергетических электронов на отражении (RHEED)
- Метод для характеристики поверхности кристаллических материалов
- Использует зоны Лауэ более высокого порядка
- Применяется для выращивания тонких пленок и контроля шероховатости поверхности
-
Газовая дифракция электронов (GED)
- Метод для определения геометрии молекул в газах
- Интенсивность дифракции определяется под определенным углом дифракции
- Включает атомное, молекулярное и триплетное рассеяние
-
Сканирующий электронный микроскоп
- Область вблизи поверхности наносится на карту с помощью электронного луча
- Дифракционная картина записывается с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD)
- Линии Кикути используются для определения ориентации кристалла и идентификации фазы