تبلیغات
Code center
صفحه نخست پروفایل طراح کد تماس با ما پشتیبانی آنلاین
علمى
یونیسف

وبسایت علمی حامی یونیسف

UNICEF Logo

unicef_logo_farsi

آخرین مطالب

» معرفة و نکرة ( شنبه 9 اردیبهشت 1396 )
» تاثیر شیر در بدنسازی ( چهارشنبه 6 اردیبهشت 1396 )
» طرز تهیه و ساخت مکمل خانگی ( چهارشنبه 6 اردیبهشت 1396 )
» رئیس علی دلواری ( سه شنبه 8 تیر 1395 )
» دیدن عدد پی با 4 میلیون رقم اعشار آن در یک تصویر! ( پنجشنبه 24 دی 1394 )
» روز چطور 24 ساعت شد ؟ ( پنجشنبه 24 دی 1394 )
» فرم پیش خرید بسته آموزش دبیره ها و آموزه های پارسی باستان ( چهارشنبه 28 مرداد 1394 )
» حمایت وبسایت علمی از یونیسف ( سه شنبه 27 مرداد 1394 )
» unicef یونیسف ( دوشنبه 12 مرداد 1394 )
» دانلود نسخه هک شده بازی کلش آو کلنز ( شنبه 3 مرداد 1394 )
» جهش در ژن USP9Xو اختلال در کار سلول های طبیعی مغز ( چهارشنبه 31 تیر 1394 )
» داروهای خانگی برای خلط ( یکشنبه 31 خرداد 1394 )
» آیا ابن‌سینا را هم هپلی‌ هپو کردند؟ ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» نخستین CD تاریخ ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» لباس های محلی اقوام ایرانی ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» لباس زنان در ایران 2 ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» لباس زنان در ایران 1 ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» تاریخچه عکاسی و اختراع کداک ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» انتخاب رنگ ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» دایره رنگ ( شنبه 30 خرداد 1394 )
» آزمون تعیین سطح انگلیسی ( جمعه 29 خرداد 1394 )
» آداب و رسوم جشن سده ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» تاریخچه کامل نوروز ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» تولید ابریشم از پیش رنگ شده توسط کرم‌ها! ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» شبیه‌ساز تولد، متخصصان مامایی را در طول زایمان همراهی می‌کند ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» نانوذرات این بار به کمک بیماران قلبی می‌آین ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» دستگاه کوچکی که می‌تواند تنظیم‌کننده‌ی ضربان قلب را از طریق ضربان قلب شارژ کند ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» دنیای خارق‌العاده حشرات ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» آیا تکامل انسان سرانجام متوقف شده است؟ ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )
» شکوه، سقف و دیگر هیچ ( پنجشنبه 9 بهمن 1393 )

آمار بازدید

کل بازدید ها :
بازدید امروز :
بازدید دیروز :
بازدید این ماه :
بازدید ماه قبل :
تعداد نویسندگان :
تعداد کل مطالب :
آخرین بروز رسانی :

زیر شاخه های علمی


اخبار علمی


وقت فوتبال


تبلیغات متنی

HELLO.WELCOME TO MY WEB MY NAME IS MEHRDAD ZANGENEH I LOVE YOU!!!

.

علمی
درباره ما


علمی سایتی با مطالب علمی متنوع و جالب برای همه ی سنیس
ایجاد کننده علمی :مهرداد زنگنه

به سایت علمی خوش آمدید


  • تاریخ ارسال : شنبه 9 فروردین 1393, 04:37 بعد از ظهر

برای آنالیز ساختاری مواد، تکنیک های مختلفی وجود دارد. یکی از این تکنیک ها پراش الکترونهای کم انرژی (LEED) است که برای بررسی سطح مواد رسانا و نیم رسانا استفاده می شود. از آنجا که در این روش از الکترون های کم انرژی در حدود 200-20 الکترون ولت استفاده می شود بنابراین از الگوی پراش می توان اطلاعات مناسبی از قبیل تقارن و تناوب سطح (آنالیز کیفی) و همچنین موقعیت های اتمها در سطح (آنالیز کمی) به دست آورد.در این مقاله آنالیز کیفی و کمی پراشLEED را بررسی می شود.


1 مقدمه
در مقایسه با اشعه ایکس که برای آنالیز نمونه های بالک(توده ای) مورد استفاده قرار می گیرد، الکترونهای کم انرژی برای آنالیز ساختار سطح مواد رسانا و نیم رسانا استفاده می شود. دلیل این موضوع این است که اولاً مسیر آزاد میانگین برای چنین الکترون های با انرژی پایین، کوچک است و ثانیاً طول موج دوبروی الکترون λ = h/p در حد فواصل موجود در بلور است. بنابراین وقوع پدیده پراش با استفاده از این الکترونهای کم انرژی قابل پیش بینی است. 
اولین آزمایش LEED از نمونه های نیکل تک کریستالی، توسط دیویسون وگرمر در سال 1927 انجام شد. با این وجود مشخصه یابی ساختار به صورت کمی، با استفاده از الکترون ها به جای اشعه ایکس مشکلاتی را موجب می شود، برای مثال بر هم کنش الکترون ها با جامد خیلی شدیدتر از برهمکنش اشعه ایکس با آن است [1].
پراش الکترونهای کم انرژی (LEED) به دو روش زیر مورد بررسی قرار می گیرد:
الف- بررسی کیفی: در این روش از الگوی پراش موجود، اطلاعاتی در مورد تناوب و تقارن سطح به دست می آید.
ب- بررسی کمی: که در آن شدت پرتوهای پراش یافته به صورت تابعی از انرژی پرتو الکترونی فرودی ثبت می شوند. منحنی به دست آمده، منحنی جریان-ولتاژ (I-V) نامیده می شود. از مقایسه این منحنی با منحنی جریان-ولتاژ حاصل از تئوری، اطلاعات دقیقی مانند موقعیت های اتم ها به دست می آید [2].
2 جزئیات آزمایش
شکل 1، یک دستگاه LEED را نشان می دهد که در اکثر آزمایشگاه های مهندسی سطح یافت می شود. این دستگاه از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: 1) تفنگ الکترونی که الکترونهای تکفام (تک انرژی) تولید می کند و 2) سیستم آشکارساز که فقط الکترونهایی را که به صورت کشسان پراکنده شده اند، آشکار می کند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1- یک سیستم LEED و[1]


نحوه کار تفنگ الکترونی به صورت زیر است. به طور خلاصه، در تفنگ الکترونی الکترونهای تک انرژی توسط یک فیلمان کاتدی که در پتانسیل منفی و از مرتبه10 تا 600 ولت نسبت به نمونه قرار دارد گسیل می شوند. سپس الکترونهای خروجی، شتاب دار می شوند و توسط الکترودهایی که همانند لنزهای الکترونی عمل می کنند به صورت یک پرتو با عرضی در حدود 0.5-0.1 میلی متر متمرکز می شوند. به همین دلیل معمولا سطح مورد بررسی از لحاظ ابعادی باید در ابعاد پرتو تفنگ الکترونی باشد[3]. اما آشکارساز شامل چهار توری فلزی با اختلاف پتانسیل های متفاوت به همراه یک صفحه فلوئورسان است. توری اول (از سمت راست) در پتانسیل صفر قرار دارد تا یک محوطه بدون میدان الکتریکی را در اطراف نمونه موجب شود. ولتاژ دو توری بعدی به حدی است که از عبور تمام الکترون هایی که به صورت غیرکشسان پراکنده شده اند، جلوگیری می کند. در نهایت الکترونهایی که به صورت کشسان پراکنده شده اند از توری چهارم که در پتانسیل صفر قرار دارد عبور می کنند و به سمت صفحه فلوئورسان که در پتانسیل مثبت قرار دارد شتاب می گیرند. انرژی الکترونهای فرودی در محدوده بین 20 تا 200 الکترون ولت قرار دارد[1].
شکل 2 یک دستگاه LEED را نشان می دهد.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2- دستگاه LEEDو [2]



2-1. مبانیLEED
بر طبق دوگانگی ذره-موج دوبروی، باریکه الکترون ها را می توان به صورت امواج الکترونی در نظر گرفت که به طور عمودی به نمونه برخورد می کند. این امواج توسط نواحی با چگالی بالای الکترون جایگزیده، یا همان اتم های سطحی پراکنده خواهند شد. بنابراین می توان این نواحی را به صورت نقاطی که امواج را پراکنده می-کند، در نظر گرفت.

طول موج الکترون بر طبق رابطه دوبروی برابر است با:

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc

که در آن p اندازه حرکت الکترون است و به صورت زیر تعریف می شود:

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

که در آن
m- جرم الکترون بر حسب کیلوگرم
v- سرعت بر حسب متر بر ثانیه
E_k- انرژی جنبشی
e- بار الکترون
V- ولتاژ شتاب دهنده
لذا طول موج برابر می شود با:

filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

که در آن h، ثابت پلانک می باشد و مقدار آن برابر است با:

filereader.php?p1=main_7c33b065c7fcac2dc

از رابطه بالا، محدوده طول موج الکترون های فرودی در حد فواصل اتمی به دست می آید که یک شرط لازم برای مشاهده اثرات پراش مربوط به ساختار اتمی است [3].

3 بررسی پراش الکترونهای کم انرژی LEED
3-1. بررسی کیفیLEED
ساده ترین حالت ممکنی که می توان درنظر گرفت این است که در آن یک پرتو الکترونی به زنجیری یک بعدی از اتمها با فواصل اتمی a به صورت عمود برخورد می کند.


filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل3- برخورد پرتو الکترونی با سطح نمونه [2]


از آنجا که اختلاف راه نوری دو پرتو خروجی مجاور برابر aSinθ است، (a، ثابت شبکه) تداخل سازنده زمانی رخ خواهد داد که اختلاف راه آنها برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد (معادله براگ)یعنی:


filereader.php?p1=main_8717ce4dfdc86a4b5

برای دو مرکز پراکننده، شدت به آرامی بین صفر (وقتی که d=(n+1⁄2)λ) و یک مقدار بیشینه (وقتی که d=nλ) تغییر می کند. شکل 4 نمونه ای از شدت پراش یافته را بر حسب زاویه فرودی نشان می دهد.


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل4- نمودار شدت بر حسب زاویه برای یک نمونه خاص ا بعدی [2]


با تعمیم مدل یک بعدی به مدل دو بعدی می توان گفت که به طور کلی تمام الگوهای پراش سطحی دارای تقارنی هستند که نشان می دهد که ساختار سطح نسبت به مرکز خود متقارن است. هم چنین این الگوهای پراش، رابطه معکوسی، هم با ریشه دوم انرژی الکترون و هم با اندازه سلول واحد دارند.

برای مثال الگوی LEED یک سطح (fcc(100 در شکل 5 نشان داده شده است. در این شکل ساختار اتمی سطح در سمت چپ نشان داده شده است. پرتو الکترونی اولیه به صورت عمود بر صفحه کاغذ به سطح برخورد می کند و الکترونهای پراکنده شده به طرف عقب برمی گردند. تصویر سمت راست، الگوی پراش الکترونهای برگشتی را بر روی صفحه فلوئورسان نشان می دهد.


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل5- الگوی LEED یک سطح (fcc(100 و [2]


الگوی پراش (تصویر سمت راست شکل 5)، همان تقارن مستطیلی سطح زیرلایه مورد بررسی را نشان می دهد با این تفاوت که به دلیل وابستگی معکوس به پارامتر شبکه(رابطه 5)، اندکی در جهت های مخالف کشیده تر شده است. این الگو همچنین نسبت به پرتو مرکزی یعنی (00) متقارن است. این نقطه مرکزی از پرتویی حاصل شده که به طور عمود بر سطح برخورد کرده و دوباره در همین مسیر به سمت عقب پراکنده شده است (یعنی حالت n=0 در مدل یک بعدی). در الگوی پراش بالا، سه حالت n=0,1,2 قابل مشاهده است.


filereader.php?p1=main_e1b8054c9cdd622c9

شکل 6، تصویر تشکیل شده بر روی آشکارساز فلوئوسان را برای صفحه 110 مس در دو انرژی 90 و 140 الکترون ولت نشان می دهد.


filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل6- الگوی LEED صفحه (Cu(100 و [2]


یک روش مناسب برای بررسی الگوهای پراش LEED، استفاده از مفهوم فضای وارون است. به عبارت دیگر الگوی پراش مشاهده شده، نمایشی از شبکه وارون ساختار سطح مورد بررسی است.
به طور کلی شبکه وارون با بردارهای شبکه خود مشخص می شود. اگر سطح زیرلایه مورد بررسی دارای ماده جاذب خاصی نیز باشد، بردارهای شبکه وارون به صورت زیر است:


filereader.php?p1=main_096b8e912aff7b51d

ابتدا فقط زیر لایه بررسی می شود. از فیزیک حالت جامد، بردارهای شبکه مستقیم (فضای واقعی) و شبکه وارون با روابط زیر به هم مربوط می شوند:

filereader.php?p1=main_f38ee76ce06ccd139

filereader.php?p1=main_b9d7e51eba2c6d155


به عبارت دیگر
a1 عمود بر a*2 و a2 عمود بر a*1 است.
رابطه معکوسی بین a1 و a*1 (همچنین بین a2 و a*2) به صورت رابطه (8) که در آن A زاویه بین دو بردار a1 و a*1 می باشد، وجود دارد.


filereader.php?p1=main_cfff813d86d447fa2


همین حالت در مورد بردارهای شبکه وارون ماده جاذب نیز صادق است.
برای روشن تر شدن موضوع به مثال زیر پرداخته می شود.
مثال- ساختار(fcc(100 و الگوی پراش متناظر (شبکه وارون) آن مطابق شکل 7، در نظر گرفته می شود.


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل7- شبکه زیر لایه(fcc(100 و تعیین الگوی پراش متناظر [2]


در جدول 1 نشان داده شده است که چگونه بردارهای شبکه وارون از روی بردارهای شبکه مستقیم تعیین می شود.



جدول1- مراحل تعیین بردارهای شبکه وارون از روی شبکه مستقیم
filereader.php?p1=main_83f1535f99ab0bf4e



حال ماده جاذب را با توزیع شکل8، بر روی زیرلایه در نظر گرفته و فرایند بالا، در مورد بردار های شبکه مستقیم و وارون تکرار می شود.


filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل8- شبکه (fcc(100  همراه با ماده جاذب (به رنگ نارنجی) وتعیین الگوی پراش متناظر [2]


همانند حالت قبل مراحل زیر، برای تعیین بردارهای شبکه وارون از روی بردارهای شبکه مستقیم در حضور ماده جاذب انجام می شود (جدول 2):


جدول2- مراحل تعیین بردارهای شبکه وارون از روی شبکه مستقیم برای حالت با جاذب
filereader.php?p1=main_0f826a89cf68c399c


در نهایت الگوی پراش در حضور ماده جاذب به صورت شکل 9، خواهد بود.



filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل9- شبکه (fcc(100 همراه با ماده جاذب (به رنگ نارنجی) و الگوی پراش متناظر نهایی [2]



3-2. بررسی کمی LEED
همان طور که در بخش قبل دیده  شد، اطلاعاتی نظیر تناوب و تقارن سطح را می توان از روی الگوی پراش LEED به دست آورد. ولی برای به دست آوردن اطلاعات دقیق تری همچون موقعیت اتمها در سطح، بایستی به آنالیز کمی LEED متوسل شد.
این روش، اندازه گیری شدت پرتوهای پراش یافته بر حسب تابعی از انرژی نقاط روشن و نیز برازش منحنی (fitting) آن با منحنی حاصل از مدلسازی رایانه ای سطح مورد نظر، را شامل می شود. اگر برازش مناسبی حاصل نشد، ساختار مدل را تغییر می دهند تا نهایتا برازش مناسبی حاصل شود [1].

مراحل مدلسازی منحنی I-V به صورت زیر است:
1. ساختاری، مجسم می شود. برای مثال می توان اتم های پراکننده را به صورت کره های مجزا در نظر گرفت.
2. پتانسیل برهمکنش الکترون-اتم تعیین می گردد. برای حالت خاص اتم های کروی می توان تقریب موسوم به پتانسیل موفین-تین را به عنوان پتانسیل اندرکنشی استفاده کرد. این تقریب، پتانسیل اطراف کره ها را به صورت کروی و سایر نقاط را ثابت در نظر می گیرد. 
3. پتانسیل برهمکنش الکترون با سطح و هم چنین پتانسیل درونی (نوعا در حدود 10 الکترون ولت) تعیین می شود.
4. سطح مقطع برخورد و تغییر فاز، با استفاده از روابط پراکندگی مکانیک کوانتومی محاسبه می شود.
5. شدت های پرتو پراش یافته، در یک مدل پراکندگی چندگانه با حل معادله موج شرودینگر محاسبه می گردد.
6. نتایج با آزمایش مقایسه می شود. در صورت لزوم مراحل دوباره و با فرض ساختاری جدید (مثلا تغییر پتانسیل) شروع می گردد تا منحنی مناسبی نظیر منحنی مربوط به آزمایش حاصل شود.

شکل 10 نمونه ای از برازش منحنی تجربی I-V و منحنی مدلسازی شده سطح (Al(111 را نشان می دهد [4].


filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل10- همخوانی مناسب منحنی I-V آزمایش با مدلسازی برای سطح(Al(111. منحنی تو پر (قرمز رنگ) داده های تجربی را نشان می دهد [1].


چنانچه محاسبات با دقت بالا انجام شوند، در این صورت پارامترهای ساختاری با دقت بالا توسط LEED به دست خواهند آمد. برای مثال موقعیت های اتمی در حد چند ده انگستروم به دست می آیند.

4 نتیجه گیری
در این مقاله به مطالعه آنالیزسطح نمونه ها با استفاده از پراش الکترون های کم انرژی (LEED) پرداخته شد. کاربرد این آنالیز برای نمونه های رسانا و نیم رسانا می باشد. همچنین دو نوع بررسی رایج LEED به صورت کیفی و کمی مطالعه شد و مشخص شد که از آنالیز کیفی می توان اطلاعاتی راجع به تقارن و تناوب سطح و از آنالیز کمی می توان موقعیت دقیق اتمها در سطح را به دست آورد.



ادامه مطلب
تبلیغات

<
علمی
علمی
علمی