difracción de electrones de alta energía por reflexión

Los usuarios de RHEED construyen esferas de Ewald para determinar las propiedades cristalográficas de la superficie de la muestra. Estas esferas muestran las condiciones de difracción permitidas para los electrones dispersados ​​cinemáticamente en una configuración RHEED determinada. El patrón de difracción en la pantalla se relaciona con la geometría de la esfera de Ewald, lo que permite a los usuarios de RHEED calcular directamente la red recíproca de la muestra a partir del patrón RHEED, la energía de los electrones incidentes y la distancia entre el detector y la muestra. Para determinar la red recíproca de la superficie de la muestra, el usuario debe relacionar la geometría y el espaciado de los puntos de un patrón perfecto con la esfera de Ewald.

El análisis de la esfera de Ewald es similar al de los cristales masivos; sin embargo, la red recíproca de la muestra difiere de la de un material 3D debido a la sensibilidad superficial del proceso RHEED. Las redes recíprocas de los cristales masivos consisten en un conjunto de puntos en el espacio 3D. Sin embargo, solo las primeras capas del material contribuyen a la difracción en RHEED, por lo que no hay condiciones de difracción en la dimensión perpendicular a la superficie de la muestra. Debido a la falta de una tercera condición de difracción, la red recíproca de la superficie de un cristal es una serie de varillas infinitas que se extienden perpendicularmente a la superficie de la muestra. ^{[ 4 ]} Estas varillas se originan en los puntos convencionales de la red recíproca 2D de la superficie de la muestra.

La esfera de Ewald está centrada en la superficie de la muestra con un radio igual a la magnitud del vector de onda de los electrones incidentes,

${\displaystyle k_{i}={\frac {2\pi }{\lambda }}}$,

donde λ es la longitud de onda de De Broglie de los electrones .

Las condiciones de difracción se satisfacen donde las varillas de la red recíproca intersecan la esfera de Ewald. Por lo tanto, la magnitud de un vector desde el origen de la esfera de Ewald hasta la intersección de cualquier varilla de la red recíproca es igual a la del haz incidente. Esto se expresa como

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

Aquí, k _hl es el vector de onda de los electrones difractados elásticamente del orden (hl) en cualquier intersección de las varillas de la red recíproca con la esfera de Ewald.

Las proyecciones de los dos vectores sobre el plano de la superficie de la muestra difieren en un vector de red recíproca G _hl ,

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

La figura 3 muestra la construcción de la esfera de Ewald y proporciona ejemplos de los vectores G, k _hl y k _{i .}

Muchas de las varillas de la red recíproca cumplen la condición de difracción; sin embargo, el sistema RHEED está diseñado para que solo los órdenes bajos de difracción incidan en el detector. El patrón RHEED en el detector es una proyección únicamente de los vectores k que se encuentran dentro del rango angular que contiene el detector. El tamaño y la posición del detector determinan cuáles de los electrones difractados se encuentran dentro del rango angular que lo alcanza, por lo que la geometría del patrón RHEED puede relacionarse con la geometría de la red recíproca de la superficie de la muestra mediante relaciones trigonométricas y la distancia entre la muestra y el detector.

Los vectores k se etiquetan de tal manera que el vector k00 que forma el ángulo más pequeño con la superficie de la muestra se llama haz de orden 0. ^{[ 3 ]} El haz de orden 0 también se conoce como haz especular. Cada intersección sucesiva de una varilla y la esfera más alejada de la superficie de la muestra se etiqueta como una reflexión de orden superior. Debido a la forma en que se posiciona el centro de la esfera de Ewald, el haz especular forma el mismo ángulo con el sustrato que el haz de electrones incidente. El punto especular tiene la mayor intensidad en un patrón RHEED y se etiqueta como el punto (00) por convención. ^{[ 3 ]} Los demás puntos en el patrón RHEED se indexan según el orden de reflexión que proyectan.

El radio de la esfera de Ewald es mucho mayor que el espaciado entre las varillas de la red recíproca porque el haz incidente tiene una longitud de onda muy corta debido a sus electrones de alta energía. Las filas de varillas de la red recíproca en realidad intersecan la esfera de Ewald como un plano aproximado porque filas idénticas de varillas de la red recíproca paralelas se encuentran directamente delante y detrás de la única fila mostrada. ^{[ 1 ]} La figura 3 muestra una vista en sección transversal de una sola fila de varillas de la red recíproca que llena las condiciones de difracción. Las varillas de la red recíproca en la figura 3 muestran la vista frontal de estos planos, que son perpendiculares a la pantalla de la computadora en la figura.

La intersección de estos planos efectivos con la esfera de Ewald forma círculos, denominados círculos de Laue. El patrón RHEED es un conjunto de puntos en los perímetros de círculos de Laue concéntricos alrededor del punto central. Sin embargo, los efectos de interferencia entre los electrones difractados siguen produciendo intensidades elevadas en puntos individuales de cada círculo de Laue. La figura 4 muestra la intersección de uno de estos planos con la esfera de Ewald.

El ángulo azimutal afecta la geometría y la intensidad de los patrones RHEED. ^{[ 4 ]} El ángulo azimutal es el ángulo en el que los electrones incidentes intersecan la red cristalina ordenada en la superficie de la muestra. La mayoría de los sistemas RHEED están equipados con un portamuestras que puede girar el cristal alrededor de un eje perpendicular a la superficie de la muestra. Los usuarios de RHEED giran la muestra para optimizar los perfiles de intensidad de los patrones. Los usuarios generalmente indexan al menos 2 escaneos RHEED en diferentes ángulos azimutales para una caracterización confiable de la estructura superficial del cristal. ^{[ 4 ]} La Figura 5 muestra un diagrama esquemático de un haz de electrones incidente sobre la muestra en diferentes ángulos azimutales.

En ocasiones, los usuarios giran la muestra alrededor de un eje perpendicular a la superficie de muestreo durante los experimentos de RHEED para crear un patrón de RHEED denominado diagrama azimutal. ^{[ 4 ]} La rotación de la muestra modifica la intensidad de los haces difractados debido a su dependencia del ángulo azimutal. ^{[ 5 ]} Los especialistas en RHEED caracterizan las morfologías de las películas midiendo los cambios en la intensidad del haz y comparando estos cambios con cálculos teóricos, que pueden modelar eficazmente la dependencia de la intensidad de los haces difractados con el ángulo azimutal. ^{[ 5 ]}

Los electrones dispersados ​​dinámicamente o inelásticamente también proporcionan varios tipos de información sobre la muestra. El brillo o la intensidad en un punto del detector depende de la dispersión dinámica, por lo que todo análisis que involucre la intensidad debe tener en cuenta la dispersión dinámica. ^{[ 1 ] [ 3 ]} Algunos electrones dispersados ​​inelásticamente penetran en el cristal masivo y cumplen las condiciones de difracción de Bragg. Estos electrones dispersados ​​inelásticamente pueden llegar al detector para producir patrones de difracción de Kikuchi, que son útiles para calcular las condiciones de difracción. ^{[ 3 ]} Los patrones de Kikuchi se caracterizan por líneas que conectan los puntos de difracción intensos en un patrón RHEED. La figura 6 muestra un patrón RHEED con líneas de Kikuchi visibles .

El cañón de electrones es uno de los componentes más importantes de un sistema RHEED. ^{[ 1 ]} El cañón limita la resolución y los límites de prueba del sistema. Los filamentos de tungsteno son la principal fuente de electrones para el cañón de electrones de la mayoría de los sistemas RHEED debido a la baja función de trabajo del tungsteno. En la configuración típica, el filamento de tungsteno es el cátodo y un ánodo con polarización positiva extrae electrones de la punta del filamento de tungsteno. ^{[ 1 ]}

La magnitud de la polarización del ánodo determina la energía de los electrones incidentes. La polarización óptima del ánodo depende del tipo de información que se desee obtener. Con ángulos de incidencia grandes, los electrones de alta energía pueden penetrar la superficie de la muestra y degradar la sensibilidad superficial del instrumento. ^{[ 1 ]} Sin embargo, las dimensiones de las zonas de Laue son proporcionales al inverso del cuadrado de la energía del electrón, lo que significa que se registra más información en el detector a energías de electrones incidentes más altas. ^{[ 1 ]} Para la caracterización general de superficies, el cañón de electrones se opera en el rango de 10 a 30 keV. ^{[ 3 ]}

En una configuración típica de RHEED, un campo magnético y un campo eléctrico enfocan el haz de electrones incidente. ^{[ 1 ]} Un electrodo de Wehnelt con polarización negativa, situado entre el filamento del cátodo y el ánodo, aplica un pequeño campo eléctrico que enfoca los electrones a medida que pasan por el ánodo. Una lente magnética ajustable enfoca los electrones sobre la superficie de la muestra después de que pasan por el ánodo. Una fuente típica de RHEED tiene una distancia focal de alrededor de 50  cm. ^{[ 3 ]} El haz se enfoca en el punto más pequeño posible del detector, en lugar de en la superficie de la muestra, para que el patrón de difracción tenga la mejor resolución. ^{[ 1 ]}

Las pantallas de fósforo fotoluminiscentes se utilizan ampliamente como detectores. Estos detectores emiten luz verde en las zonas donde los electrones inciden sobre su superficie y también son comunes en la microscopía electrónica de transmisión (TEM). La pantalla detectora es útil para alinear el patrón a una posición e intensidad óptimas. Las cámaras CCD capturan los patrones para permitir el análisis digital.

La superficie de la muestra debe estar extremadamente limpia para que los experimentos de RHEED sean efectivos. Los contaminantes en la superficie de la muestra interfieren con el haz de electrones y degradan la calidad del patrón de RHEED. Los usuarios de RHEED emplean dos técnicas principales para crear superficies de muestra limpias. Las muestras pequeñas se pueden fracturar en la cámara de vacío antes del análisis de RHEED. ^{[ 6 ]} La superficie fracturada recién expuesta se analiza. Las muestras grandes, o aquellas que no se pueden fracturar antes del análisis de RHEED, se pueden recubrir con una capa de óxido pasiva antes del análisis. ^{[ 6 ]} El tratamiento térmico posterior bajo el vacío de la cámara de RHEED elimina la capa de óxido y expone la superficie limpia de la muestra.

Debido a que las moléculas de gas difractan los electrones y afectan la calidad del cañón de electrones, los experimentos RHEED se realizan en vacío. El sistema RHEED debe operar a una presión lo suficientemente baja como para evitar una dispersión significativa de los haces de electrones por las moléculas de gas en la cámara. A energías de electrones de 10 keV, se requiere una presión en la cámara de 10 ⁻⁵ mbar o inferior para evitar una dispersión significativa de los electrones por el gas de fondo. ^{[ 6 ]} En la práctica, los sistemas RHEED operan en ultra alto vacío. La presión en la cámara se minimiza tanto como sea posible para optimizar el proceso. Las condiciones de vacío limitan los tipos de materiales y procesos que se pueden monitorear in situ con RHEED.

La técnica RHEED es muy popular para monitorizar el crecimiento de películas delgadas. En particular, es muy adecuada para su uso con la epitaxia de haces moleculares (MBE), un proceso utilizado para formar películas delgadas ultrapuras y de alta calidad en condiciones de crecimiento de ultra alto vacío. ^{[ 9 ]} Las intensidades de los puntos individuales en el patrón RHEED fluctúan periódicamente como resultado de la cobertura superficial relativa de la película delgada en crecimiento. La figura 8 muestra un ejemplo de la fluctuación de la intensidad en un punto RHEED durante el crecimiento por MBE.

Cada período completo corresponde a la formación de una película delgada de una sola capa atómica. El período de oscilación depende en gran medida del sistema de materiales, la energía de los electrones y el ángulo de incidencia, por lo que los investigadores obtienen datos empíricos para correlacionar las oscilaciones de intensidad y la cobertura de la película antes de utilizar RHEED para monitorear el crecimiento de la película. ^{[ 6 ]}

El vídeo 1 muestra un instrumento de metrología que registra las oscilaciones de intensidad de RHEED y la tasa de deposición para el control y análisis del proceso.

La espectroscopia de rayos X de ángulo de reflexión total por difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED-TRAXS) es una técnica para monitorear la composición química de los cristales. ^{[ 10 ]} RHEED-TRAXS analiza las líneas espectrales de rayos X emitidas por un cristal como resultado de la colisión de electrones de un cañón RHEED con la superficie.

La técnica RHEED-TRAXS es ​​preferible al microanálisis de rayos X (XMA) (como EDS y WDS ) porque el ángulo de incidencia de los electrones en la superficie es muy pequeño, generalmente inferior a 5°. Como resultado, los electrones no penetran profundamente en el cristal, lo que significa que la emisión de rayos X se limita a la parte superior del cristal, permitiendo la monitorización en tiempo real y en el sitio de la estequiometría de la superficie.

El montaje experimental es bastante sencillo. Se disparan electrones contra una muestra, lo que provoca la emisión de rayos X. Estos rayos X se detectan mediante un cristal de silicio - litio ( Si-Li) situado detrás de ventanas de berilio , que se utilizan para mantener el vacío.

MCP-RHEED es un sistema en el que un haz de electrones se amplifica mediante una placa de microcanales (MCP). Este sistema consta de un cañón de electrones y una MCP equipada con una pantalla fluorescente frente al cañón. Gracias a la amplificación, la intensidad del haz de electrones se puede reducir en varios órdenes de magnitud y se minimiza el daño a las muestras. Este método se utiliza para observar el crecimiento de cristales aislantes , como películas orgánicas y películas de haluros alcalinos , que se dañan fácilmente con haces de electrones. ^{[ 11 ]}