低能电子衍射

低能电子束射 (LEED) 是一种通过准直的低能电子束 (30–200 eV) 轰击和在荧光屏上观察衍射电子点来确定单晶材料表面结构的技术。

LEED 可以通过以下两种方式之一使用：

• 定性地，记录衍射图案和分析光斑位置可提供有关表面结构对称性的信息。 在存在吸附物的情况下，定性分析可能会揭示吸附物晶胞相对于底物晶胞的大小和旋转排列的信息。
• 在定量方面，衍射光束的强度被记录为入射电子束能量的函数，以生成所谓的 I-V 曲线。 通过与理论曲线的比较，这些可以提供关于手头表面原子位置的准确信息。

类似于现代 LEED 的电子衍射实验是xxx个观察电子波状特性的实验，但 LEED 只是随着真空产生和电子检测技术的进步而成为表面科学中无处不在的工具。

电子衍射发生的理论可能性最早出现于 1924 年，当时路易斯·德布罗意 (Louis de Broglie) 引入了波动力学并提出了所有粒子的波状性质。 在他获得诺贝尔奖的著作中，德布罗意假定具有线性动量 p 的粒子的波长由 h/p 给出，其中 h 是普朗克常数。德布罗意假设于 1927 年在贝尔实验室通过实验得到证实，当时克林顿 Davisson 和 Lester Germer 向结晶镍靶发射低能电子，并观察到背散射电子强度的角度依赖性显示出衍射图案。 这些观察结果与 Bragg 和 Laue 早期开发的 X 射线衍射理论一致。 在德布罗意假说被接受之前，衍射被认为是波的独有属性。

Davisson 和 Germer 于 1927 年在 Nature 和 Physical Review 上发表了他们电子衍射实验结果的笔记。在 Davisson 和 Germer 的工作发表一个月后，Thompson 和 Reid 发表了他们的具有更高动能（高出千倍）的电子衍射工作 比 Davisson 和 Germer 在同一期刊中使用的能量）。 这些实验揭示了电子的波动特性，开启了电子衍射研究的时代。

低能电子衍射虽然在 1927 年被发现，但直到 1960 年代初才成为表面分析的流行工具。 主要原因是由于真空技术不足和法拉第杯等检测方法缓慢，监测衍射光束的方向和强度是一个困难的实验过程。 此外，由于 LEED 是一种表面敏感方法，因此它需要井然有序的表面结构。 清洁金属表面的制备技术在很久以后才首次出现。

尽管如此，布朗大学的 H. E. Farnsworth 及其同事率先使用 LEED 作为一种方法来表征气体在清洁金属表面的吸收和相关的常规吸附阶段，从 Davisson 和 Germer 发现后不久开始进入 1970 年代。

在 1960 年代初期，LEED 经历了复兴，因为超高真空变得广泛可用，Germer 和他在贝尔实验室的同事使用平面荧光屏引入了后加速检测方法。 使用这种技术，衍射电子被加速到高能，从而在屏幕上产生清晰可见的衍射图案。 具有讽刺意味的是，后加速方法早在 1934 年就已由 Ehrenberg 提出。

1962 年，Lander 及其同事推出了带有相关半球网格的现代半球屏幕。 在 20 世纪 60 年代中期，现代 LEED 系统作为 Varian Associates 超高真空仪器套件的一部分在市场上销售，并引发了表面科学活动的巨大推动。 值得注意的是，未来的诺贝尔奖获得者 Gerhard Ertl 在这种 Varian 系统上开始了他的表面化学和催化研究。

很快就很清楚，已成功用于解释 X 射线衍射实验的运动学（单次散射）理论不足以对从 LEED 获得的实验数据进行定量解释。 在这个阶段，不可能详细确定表面结构，包括吸附位点、键角和键长。考虑到多重散射可能性的动态电子衍射理论于 1960 年代后期建立。