低能电子显微镜术及其应用

2    低能电子显微镜

LEEM的思想是60年代初E．huer提出的，由于种种原因直到1985年才由BaMer和W．Telieps正式推出，成为一种有效的表面实空间成像技术[2—3]．经过10年的发展，LEEM仪器已进入第三代，所有电子透镜可由计算机控制．LEEM系统主要由样品室、电子枪室和成像室三个超高真空部分构成，系统上可装配各种蒸发源、吸附气体源和其他相容的分析手段．LEEM与TEM有许多相似之处，LEEM像与LEED图像之间的关联和TEM像与TED图像之间的关联相同．LEEM与TEM都是直接成像技术，都采用光阑选择某一衍射束成像以获得对比度．但比EM与TEM的主要差别在于LEEM利用的是低能量的由样品表面背散射回来的电子成像[5，6]

在LEEM系统中有两个重要部分不同于传统的电子显微镜：一是位于系统中间位置的电子束分离器，它将入射电子束与成像电子束分开；二是在样品前方的称为阴极透镜的物镜(cathodelens)，它能将来自电子枪的快速电子减速至要求的低能量打到样品表面，再将背散射回来的电子加速到高能以便处理成像[5,7,8]。图l是LEEMⅢ系统示意图，处于一20kv电位的场发射电子枪发射出的电子束经过一组聚光透镜比后通过磁性分离器，聚焦于物镜的后焦面(back focal plane)上．样品电位处于-20Kv + V0，距离物镜2㎜左右，它与物镜组成了如图2所示的阴极透镜．此透镜由两个电极组成，其中离样品较远的电极接地，另一电极接透镜工作电压．因此电子束加速到达物镜的后焦面之后，再由物镜减速到低能量V0，以平行束形式正入射到样品表面．从表面背散射回来的电子再被加速会聚于物镜的后焦面上，如样品是长程有序的，后焦面上就出现LEED衍射斑点像．此高速电子束再进入磁性分离器．在分离器中间的第一像平面上成像，然后由一组透镜系统将像平面成像于用微沟道板(microchannel plate)增强的荧光屏上形成实时LEEM像，图像可用照相机或摄像机收集。

成像透镜系统由传递透镜(TL)、场透镜（FL）、中间透镜(IL)及两个投影放大透镜(PL)组成。改变中间透镜IL的焦距、就能在物镜的后焦面成像，使LEED图样出现在屏幕上[6-8]．而通过位于场透镜FI中间的衍射光阑，可选择用于成像的衍射束．如果选择(00)束成像，称为明场像；如选用其他衍射束成像，则称为暗场像．利用暗场像可识别具有不同结构和取向的表面各个畴区，而在明场像中各畴区作用对等，因而无法识别．但由于暗场像中成像电子束偏离入射方向(即系统透镜轴心方向)，不可避免地会造成图像分辨率的降低[9]。

3    分辨率、强度和对比度

对LEEM图像而言，有三个因素十分重要，即分辨率、强度和对比度。下面分别加以讨论。

3.1    分辨率

从理论上讲，LEEM分辨率主要由阴极物镜决定，特别是它的加速区域．根据简单的几何光学近似[10]，分辨率可表示为



其中ΔV为成像电子束的能量宽度，eV为电子束能量电位，V的单位为伏特，F为样品位置的电场强度，其单位为V／m、对于15eV的电子束，如果其能量宽度是0.5eV，且F＝107V m-1，则可获得约5nm的横向分辨，由理论上推断，通过改进V，ΔV，F等能进一步提高LEEM的分辨率，但实际上由于电子束强度和高压稳定性等原因，优于3nm的分辨率已很难达到，而且成像透镜等造成的色差和球差也限制了实际的分辨率[7，8，11]。

3.2 图像强度

LEEM像强度由入射到样品的电子束强度和样品原子背散射截面等因素决定，因而与电子束能量有密切关系[7,12]。一般能量越低强度越大。

3.3 对比度

对比度即局域像强度变化，其机理主要涉及衍射对比度和干涉对比度[7,12]。对晶体样品，衍射对比度起决定性作用．它不仅与三维衍射有关，而且和二维衍射也有关联，表面局域衍射条件的变化都会引起它的变化，如表面取向、再构区域、表面缺陷等、因而对表面结构变化异常敏感，衍射对比度主要包括明场对比度、倾斜明场对比度和暗场对比度．在具有单一原子结构的表面区域，干涉对比度则占据重。要地位．其中之一是几何相位对比度，这是电子波从表面台阶两端不同高度的平台反射产生相位差造成干涉而引起的，如图3(a)所示．另一个是量子尺寸对比度，如图3(b)所示，是电子波由一层或几层薄膜前后表面发射而造成相互干涉引起的．在某种条件下，由干涉对比度可测量表面台阶高度或薄膜厚度[7,8,10,12]。W.F．Chung和M．Altman[13]曾经用波动光学模型研究过台阶对比度机理．他们发现在不同能量下、台阶的LEEM像可能是一条黑线，或是一条黑线伴有一条白线，也可能完全消失．当台阶高度等于入射电子半波长时，从台阶两边平台反射回来的电子束不存在相位差而发生相长干涉，因而台阶与背景对比度很差．当台阶高度等于四分之一波长时，反射束相位差为s而在台阶处发生相消干涉，因而台阶是全黑的．此工作曾与W(100)及(110)面LEEM图像相比较，两者符合甚好，因此有可能利用LEEM来测量台阶高度和判定平台高低．

一般在LEEM图像中几种对比度机理总是同时存在的，这给图像的解释工作带来一定的困难。

为了得到高质量的图像，整个LEEM系统预先要进行准直调节，比如样品倾斜度调整，成像透射系统的准直调节等[1]。

4 应用

LEEM的出现已有10年的时间，它主要应用于清洁表面的形貌观测、相变过程和表面吸附研究以及生长过程的动态观测等方面，研究的对象主要是金属、半导体等晶体材料表面。

4.1 清洁表面

虽然LEEM横向分辨率没有STM高，但因其视场范围大、图像实时显示以及原子级纵向分辨率高，所以常被用来观测表面形貌．难熔金属W(100)和(110)面几乎成为LEEM的标准样品，这是因为W容易清洁处理——在UHV中○2气氛下加热退火，然后闪烁加热至高温去除吸附的氧．清洁的W表面在LEEM像上显示非常清晰的台阶对比度．其台阶成像质量的好坏，可检验LEEM系统准直调节的质量．图4为清洁W(110)面的LEEM图像，电子能量为11.68eV．图中每一条黑线为一个表面台阶，台阶之间是表面平台．图中央的白线为位错线，很多台阶在此中断．台阶密度在不同区域有所不同，它们具有单原子层高度，而根据成像电子能量和对比度情况可推断出台阶高度及平台高低分布[13]。许多金属材料如Mo(100)，Pb(110)，Au(100)等与W(100)，(110)一样，其台阶成像机理来源于几何相位对比度，而另一些表面如半导体材料Si(100)和Si(111)，其台阶几何相位对比度非常弱．由于台阶常是相变和薄膜生长过程中的成核位置，所形成的核的像装饰了台阶而使其间接成像．W．Telieps等[14-18]曾用LEEM专门研究过Si(111)面(7×7)←→(1×1)相变过程以及Si(100)面的缺陷结构．我们知道，当把高温的Si(111)冷却到1100K以下时，表面上会出现著名的(7×7)再构。(1×1)←→(7×7)相变过程仅与冷却速率有关，而且与表面杂质和缺陷分布有关[17,18]。温度冷却慢时，(7×7)再构上要在台阶上以及缺陷(如螺旋位错)处成核。因此在成核初期，由于LEEM像中(7×7)和(1×1)结构具有完全不同的对比度，用LEEM可观察到(7×7)结构装饰的台阶分布线．并且也可观察Si(111)(7×7)←→(1×1)相变过程中各结构畴区的生长和变化。与Si(111)不同，Si(100)面台阶却是由畴区对比度决定的[15,18]。Si(100)面(2×1)和(1×2)两种畴区被单原子台阶分开而其取向相互垂直．当电子柬沿着一个超结构的方向稍微斜入射到样品表面时，两种畴区对电子的不同作用导致其对比度发生很大差异，由此可分辨出两种不同的台阶，即与平台上二聚体平行的和与二聚体垂直的台阶。

利用LEEM暗场像模式，可直接观察表面畴区结构．例如再构的Au(100)面具有(1×5)和(5×1)两种畴区．在明场LEEM像中，两种畴都对(00)束有贡献，因而无法分别。如果选用各再构畴区的LEEM l／5分数点成像，则可分别研究各畴区微结构[19]。再构畴区在表面上是不规则分布的，而畴区的取向与台阶的方向也具有一定的联系．为了得到高分辨率、高质量的暗场像，一般情况下总选择靠近(00)束的分数点进行成像。

Si(111)面(7×7)←→(1×1)和Au(100)面在1050K的(5×1)←→(1×1)等清洁表面相变过程，是LEEM的重要应用课题．Altman和Bauer[20]曾用LEEM研究过Pb(110)面C(2×4)←→ (1×1)相变，发现C(2×4)←→(1×1)为一级相变过程，其转变温度范围较宽，为390—440K，而由LEEM可观察到这是局域相变温度不同而造成的．对于清洁表面，由于分凝作用，LEEM像有时还能进行表面清洁程度监测．W(100)面在高温下长时间加热退火时，体内的杂质C会扩散到表面形成W2C。如果W2C浓度较高，LEED会形成复杂的W2C图样．图5为W2C在W(100)面的LEEM像，成像电子能量为15.63eV，图中黑色颗粒为W2C，W(100)面台阶和缺陷对C沾污表面分凝过程及其分布有着重要影响。在实验中发现，当W2C的LEED图样几乎消失(此时用AES未测出C信号)时，LEEM图像上还可找到W2C颗粒的踪影．所以LEEM在某些情况下可作为一种表面清洁的监测手段。

4.2    外来原子的吸附及生长
低能电子背散射系数很高，因而LEEM最突出的特点是能在各种温度情况下对表面实时成像，使观测外来原于在表面吸附和生长的动态过程得以实现．用LEEM研究外来原子在表面上的吸附就是一个很好的例子[21]。在1050K当O的覆盖度θ增加时，W(001)表面结构发生一系列转变，在θ＝1.0时，表面出现很多随机分布的(5×1)畴区，当θ超过1.0时，LEEM像中黑色的(5×1)结构开始转变成白色的(2×2)结构，而白色(2×2)结构以一种仿佛自避无规行走的链状物出现在表面上，随着O覆盖度继续增加，(2×2)结构链强度加强，当最大的对比度达到后，(2×2)链开始在表面上横向散开，直到θ＝1.25表面完全转变成(2×2)结构．这一现象中表面扩散起了主导作用，而(2×2)成核链与表面台阶分布并无直接联系。
外来原子在表面的再构和生长一直是表面物理中一个重要研究方面，而LEEM结合LEED等手段为生长现象的研究提供了一种有力工具．LEEM已涉及的体系有Ag／Si(111)[22]，Au／Si(111)[23]，Cu／Mo(110)[10]等。用LEEM可观察到Pb岛在Cu(111)面上奇持的溶化现象[24]。在300—400K温度下，Pb在Cu(111)面上是以Stranski—Krastanov模式生长的．当覆盖度超过l单原子层(monolayer，ML)时，Pb开始形成三维多边形岛，其顶端为具有(111)面结构的平台，在LEEM像中，这些岛呈白色．缓慢加热衬底样品，当温度接近Pb的熔点时，岛顶端(111)小面尺寸逐渐缩小，岛的外观逐渐变圆，成为带有白色顶端的黑色圆台状构．温度达到熔点时，白色小面突然消失，转变成黑色，Pb岛发生熔化转变，成为球冠状液滴．此时如逐渐降低温度，使Pb岛再结晶，白色(111)面会突然重新出现，但岛的外形比熔化前更圆．这反映了熔点附近岛的形状的一种平衡状态．实验中还发现熔点和再结晶温度之间存在滞后现象，这与温度升降速率有关，而且各岛的熔点也有所不同．在生长过程研究中，也常遇到结构相交，这时表面对比度会发生连续改变，而整个相转变时间往往只有十几秒钟或更短．在800K温度下将Cu生长于W(110)面上，会出现(1×1)←→(15×1)结构转变现象．Cu先在清洁W(110)面上形成一均匀的假晶层，第二层Cu则先选择表面台阶处成核，当覆盖度接近2ML时，CM迅速生长于大的平台表面，在2.13ML时，整个表面被LEEM对比度较暗的(15×1)CM层覆盖．图6(a)—(d)显示了l0s完成的这个对比度转变过程．如在均匀的(15×1)Cu／W(110)表面上继续生长CM超过几个ML时，还可观察到量子尺寸对比度，其特征是对电子能量非常敏感。
如果LEEM电子枪中反射出的电子束为自旋极化的，则根据自旋极化电子反射系数的不对称性质，可以进行磁性对比度成像，这就是自旋极化低能电子显微镜(SPLEEM)的基本原理．利用SPLEEM，可研究磁性材料体系、例如Co／W(110)体系[25]。