Surface structure determination by low-energy electron diffraction

Summary

The reflection of an incident «low-energy» (10 eV≲E≲≲500 eV) electron by a solid is dominated by the consequences of its interactions with the valence electrons in the solid. In particular, the high probability that the incident electron suffers an inelastic electron-electron collision renders the elastic electron-solid scattering cross-sections direct measures of the electronic structure and positions of ion cores within 10 Å or less of the solid’s surface. We indicate the major features of the coherent reflection,i.e. diffraction, of such low-energy electrons from planar surfaces of single-crystal solids and of current theoretical models of this phenomenon. Emphasis is placed on those features of the electron-electron and electron-ion-core interactions which permit the extraction of the atomic geometry of surface species from measured low-energy electron diffraction (LEED) intensities. Analysis of the elastic low-energy electron diffraction intensities from the low-index faces of aluminum reveals the relatively modest influence on these intensities of the detailed shape of the one-electron optical potential and of the electronic structure of the ion cores. This result, in turn, is used to analyse the atomic structure of Ni(100)-c(2×2)-S, Ni(100)-c(2×2)-O and Cu(100)-c(2×2)-O adsorbed overlayers. Finally, we indicate the present status of applications of LEED intensity analyses to determine the atomic geometry of periodic surface structures.

Riassunto

La riflessione di un elettrone incidente a «basse» energie (10 eV≲E≲500 eV) da parte di un solido è dominata dalle conseguenze della sua interazione con gli elettroni di valenza. In particolare, per l’alta probabilità di collisioni anelastiche con gli elettroni del solido, le sezioni d’urto elastico misurano direttamente la struttura elettronica e le posizioni dei noccioli ionici entro 10 Å dalla superficie del solido. Si indicano le caratteristiche principali della riflessione coerente, cioè della diffrazione, di tali elettroni a bassa energia da parte di superfici piane di cristalli singoli e dei modelli teorici attuali di questo fenomeno. Si pone l’attenzione su quelle caratteristiche delle interazioni elettrone-elettrone ed elettrone-nocciolo che permettono di dedurre la geometria atomica del tipo di superficie dalle intensità misurate della diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED). L’analisi delle intensità di diffrazione elastica di elettroni a bassa energia dalle facce a basso indice nell’alluminio rivela che le intensità sono relativamente poco influenzate dalla forma dettagliata del potenziale ottico ad un elettrone e dalla struttura elettronica dei noccioli ionici. Si usa quindi questo risultato per analizzare la struttura atomica di sovrastrati adsorbiti in Ni(100)-c(2×2)-S, Ni(100)-c(2×2)-O e Cu(100)-c(2×2)-O. Infine, si discute brevemente lo stato attuale delle applicazioni delle analisi d’intensità LEED alla determinazione della geometria atomica di strutture superficiali periodiche.

Резюме

Отражение от твердого тела электронов с малой начальной энергией (10 эВ≲E≲500 эВ) определяется взаимодействиями с валентными электронами в твердом тела. В частности, большая вероятность, что падающий электрон претер-пит неупругое электрон-электронное соударение, позволяет с помощью поперечных сечений упругого рассеяния электрона твердым телом. Непосредственно измерять электронную структуру и положения ионных остовов в области ∼10 Å или меньше от поверхности твердого тела. Мы указываем главные особенности когерентного отражения, т.е. дифракции, таких электронов с малой энергией от плоских поверхностей монокристаллических твердых тел и основные теоретические модели этого явления. Особое внимание уделяется тем характеристикам электрон-электронного и «электронион-остов» взаимодействий, которые позволяют извлечь геометрию атомов поверхностных образцов из измеренных интенсивностей дифракции электронов с малой энергией. Анализ интенсивностей упругой дифракции электронов с малой энергией от граней с малыми индексами для случая алюминия обнаруживает относительно скромное влияние на эти интенсивности подробной формы одноэлектронного опти-ческого потенциала и электронной стриктуры ионных остовов. Этот результат, в свою очередь, используется для анализа атомной структуры абсорбированных сверхслоев Ni(100)-c(2×2)-S, Ni(100)-c(2×2)-O и Cu(100)-c(2×2)-O. В заключение мы указываем, что в настоящее время анализ интенсивностей дифракции электронов с малой энергией используется для определения атомной геометрии периодических поверхностных структур.