Wyznaczanie natężeń wiązek elektronowych dla dyfrakcji typu RHEED w ramach zaawansowanych i uproszczonych opisów teoretycznych

• Autorzy: Mitura Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.15199/24.2019.4.2

Warianty tytułu

EN

Determination of electron beam intensities for the case of RHEED within advanced and simplified theoretical frameworks

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule omówione są różne sposoby przeprowadzania obliczeń dla techniki odbiciowej wysokoenergetycznej dyfrakcji elektronowej, nazywanej zwykle techniką RHEED. Technika ta w chwili obecnej często znajduje zastosowanie m.in. do monitorowania wzrostu cienkich warstw przy użyciu metody PLD, czyli osadzania z wykorzystaniem lasera impulsowego. Artykuł poświęcony jest różnym aspektom teoretycznym opisu dyfrakcji typu RHEED. W przypadku, gdy sieć krystaliczna badanego materiału jest niemal idealna, natężenia wiązek elektronów odbitych od powierzchni powinny być wyznaczane przy użyciu dynamicznej teoria dyfrakcji, czyli z pomocą równań różniczkowych cząstkowych właściwych dla ruchu falowego. W przypadku osadzania cienkich warstw, ułożenie atomów jest jednak zwykle dalekie od idealnego i dlatego stosowanie teorii uproszczonych może być pomocne. W ogólności problem przeprowadzania symulacji komputerowych dla dyfrakcji elektronów, dla częściowo uporządkowanych struktur wciąż jest otwarty.

EN

Different methods of executing calculations for reflection high energy electron diffraction (RHEED) are discussed in the article. Currently, RHEED is often applied among others to monitor preparation of thin films with the use of pulsed laser deposition. The article is devoted to different theoretical aspects of description of the diffraction phenomenon for electrons. For the case of the material with a nearly ideal crystal lattice, intensities of electron beams reflected from the surface should be determined with the employment of the dynamical diffraction theory, i.e. with the use of partial differential equations proper for the wave motion. However, for the case of the deposition of thin films, the arrangement of atoms is usually far from the ideal one and because of this reason the employment of simplified theoretical approaches may be profitable. In general, the problem of the faithful carrying out computer simulations for electron diffraction, for partially ordered structures is still open.

Słowa kluczowe

PL

cienkie warstwy; dyfrakcja elektronów; nanostruktury

EN

thin films; electron diffraction; nanostructures

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Hutnik, Wiadomości Hutnicze
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 86, nr 4
• Strony: 92--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys,

Twórcy

autor

Mitura Zbigniew

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Katedra Informatyki Stosowanej i Modelowania, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Blank Dave H.A., Guus J.H.M. Rijnders, Gertjan Koster, Horst Rogalla. 1999. „In-situ monitoring by reflective high energy electron diffraction during pulsed laser deposition”. Applied Surface Science 138–139: 17–23.
• [2] Blicharski Marek, Stanisław Dymek. 2000. Mikroskopia elektronowa w badaniach materiałów inżynierskich, W Problemy metaloznawstwa w technice XXI wieku, 21-31. Materiały konferencyjne. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej.
• [3] Bojarski Zbigniew, Marek Gigla, Kazimierz Stróż, Marian Surowiec. 2014. Krystalografia. Wydanie trzecie uaktualnione. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN SA.
• [4] Britze K., G. Meyer-Ehmsen. 1978. „High energy electron diffraction at Si(001) surfaces”. Surface Science 77 (1): 131–141.
• [5] Brydson Rik M., Chris Hammond. 2008. Charakteryzowanie nanostruktur. W Nanotechnologie, 57-136. Redakcja naukowa: Robert W. Kelsall, Ian.W.Hamley, Mark Geoghegan. Redakcja naukowa przekładu: Krzysztof Kurzydłowski. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN SA. Jest to przekład polski monografii wydanej oryginalnie w języku angielskim. Editors: Robert W. Kelsall, Ian.W.Hamley, Mark Geoghegan. 2005. Nanoscale Science and Technology. Chichester: John Wiley & Sons Ltd.
• [6] Christen H.M., G. Eres. 2008. „Recent advances in pulsed-laser deposition of complex oxides”. Journal of Physics: Condensed Matter 20 (26): 264005.
• [7] Colella R. 1972. „n-Beam dynamical diffraction of high-energy electrons at glancing incidence. General theory and computational methods”. Acta Crystallographica A28 (1) 11–15.
• [8] Gocman Krzysztof, Tadeusz Kałdoński, Waldemar Mróz, Bogusław Budner. 2015. „The effect of deposition parameters on the structural and mechanical properties of BN coatings deposited onto high-speed steel by the PLD method”. Solid State Phenomena 220-221: 737–742.
• [9] Herman M.A., H. Sitter. 1996. Molecular Beam Epitaxy: Fundamentals and Current Status. Second, Revised and Updated edition. Berlin; Springer-Verlag.
• [10] Holmes, D.M., J.L. Sudijono, C.F. McConville, T.S. Jones, B.A. Joyce. 1997. „Direct evidence for the step density model in the initial stages of the layer-by-layer homoepitaxial growth of GaAs(111) A”. Surface Science 370 (1): L173–L178.
• [11] Honkanen Ari-Pekka, Claudio Ferrero, Jean-Pierre Guigay, Vito Mocella. 2018. „A finite-element approach to dynamical diffraction problems in reflection geometry”. Journal of Applied Crystallography 51 (2): 514–525.
• [12] Huang J., C.Y. Cai, C.L. Lv, G.W. Zhou, Y.G. Wang. 2015. „An accurate dynamical electron diffraction algorithm for reflection high-energy electron diffraction”. Philosophical Magazine 95 (36): 4095–4105.
• [13] Ichimiya Ayahiko. 1983. „Many-beam calculation of reflection high energy electron diffraction (RHEED) intensities by the multi- -slice method”. Japanese Journal of Applied Physics 22 (1): 176–180.
• [14] Ichimiya Ayahiko, Philip I. Cohen. 2004. Reflection High- -Energy Electron Diffraction. Cambridge: Cambridge University Press.
• [15] Kopernik Magdalena, Andrzej Milenin, Sławomir Kąc, Mirosław Wróbel. 2014. „Stress-strain analysis in TiN nanocoating deposited on polymer with respect to Au nanointerlayer”. Journal of Nanomaterials 2014: 813587.
• [16] Kusiński Jan, Sławomir Kąc, Agnieszka Kopia, Agnieszka Radziszewska, Magdalena Rozmus-Górnikowska, B. Major, L. Major, J. Marczak, A. Lisiecki. 2012. „Laser modification of the materials surface layer – a review paper”. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences 60 (4): 711–728.
• [17] Kusiński Jan, Agnieszka Kopia, Łukasz Cieniek, Sławomir. Kąc, Agnieszka Radziszewska. 2015. „Deposition of oxide and intermetallic thin films by pulsed laser deposition (PLD) and electron beam (PED) methods)/Osadzanie tlenkowych oraz międzymetalicznych cienkich filmów z wykorzystaniem lasera impulsowego (PLD) i wiązki elektronowej (PED)”. Archives of Metallurgy and Materials 60 (3): 2173–2182.
• [18] Li J., W. Peng, Ke Chen, Y. Zhang, L.M. Cui, Y.F. Chen, Y.R. Jin, Y.Z. Zhang, D.N. Zheng. 2012. „High pressure RHEED study on the initial structure and growth dynamics of YBa2Cu3O7−δ thin films on SrTiO3 (001)”. Solid State Communications 152 (6): 478–482.
• [19] Łągiewka Eugeniusz. 2015. Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów. Katowice: Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego.
• [20] Maksym, P.A. 2001. „Investigation of iterative RHEED calculations”. Surface Science 493 (1–3): 1–14.
• [21] Maksym P.A., J.L. Beeby. 1981. „A theory of RHEED”. Surface Science 110 (2): 423–438.
• [22] Maksym P.A., J.L. Beeby. 1984. „Calculation of MEED intensities in the 510 keV electron energy range”, Surface Science 140 (1): 77–84.
• [23] Maksym, P.A., U. Korte, J.M. McCoy, H.J. Gotsis. 1998. „Calculation of RHEED intensities for imperfect surfaces”. Surface Review and Letters 5 (3–4): 873–880.
• [24] Meyer-Ehmsen G. 1989. „Direct calculation of the dynamical reflectivity matrix for RHEED”. Surface Science 219 (1-2): 177–188.
• [25] Mitura Zbigniew. 1999. „Iterative method of calculating RHEED intensities”. Physical Review B 59 (7): 4642–4625.
• [26] Mitura Zbigniew. 1999. „RHEED from epitaxially grown thin films”. Surface Review and Letters 6 (3–4): 497–516.
• [27] Mitura Zbigniew, S.L. Dudarev, L.-M. Peng, G. Gładyszewski, M.J. Whelan. 2002. „The small terrace size approximation in the theory of RHEED oscillations”. Journal of Crystal Growth 235 (1–4): 79–88.
• [28] Mitura Zbigniew, P. Mazurek, K. Paprocki, P. Mikołajczak. 1995. „Investigations of a new method to control thin-film growth”. Applied Physics A (Materials Science and Processing) 60 (2): 227-231.
• [29] Mitura Zbigniew. 2015. „Computations of RHEED intensities for growing surfaces of GaAs”, Computer Methods in Materials Science 15 (4): 447–458.
• [30] Mitura Zbigniew. 2015. „Theoretical analysis of reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and reflection high-energy positron diffraction (RHEPD) intensity oscillations expected for the perfect layer-by-layer growth”. Acta Crystallographica A71 (5) 513–518.
• [31] Mitura Zbigniew, Sergei L. Dudarev. 2015. „Algorithms for determining the phase of RHEED oscillations”. Journal of Applied Crystallography 48 (6): 1927–1934.
• [32] Mitura Zbigniew, Michał M. Szczypiński, Stanisław Mitura. 2017. „Discussion of the importance of the refraction effects for RHEED”. Applied Surface Science 421: 247–251.
• [33] O’Mahony Donagh, James G. Lunney. 2007. Group III Nitride Growth. W Pulsed Laser Deposition of Thin Films. Applications- -Led Growth of Functional Materials, 291-312. Editor: Robert Eason. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
• [34] Pawlak J., A. Żywczak, G. Szwachta, J. Kanak, M. Gajewska, M. Przybylski. 2018. „Structure and Magnetism of LSMO/BTO/MgO/ LSMO Multilayers”, Acta Physica Polonica A 133 (3): 548–550.
• [35] Peng L.- M., S.L. Dudarev, M.J. Whelan. 2004. High-Energy Electron Diffraction and Microscopy. Oxford: Oxford University Press.
• [36] Pietrzyk Maciej, Łukasz Madej, Łukasz Rauch, Danuta Szeliga. 2015. Computational Materials Engineering. Achieving High Accuracy and Efficiency in Metals Processing Simulations. Amsterdam: Elsevier.
• [37] Piwowarczyk Joanna, Roman Jędrzejewski, Jolanta Baranowska. 2017. „Influence of substrate temperature and gas pressure on aluminum oxynitride coatings obtained by pulsed laser deposition”. Materials Science-Poland 35 (1): 254–264.
• [38] Rijnders Guus, Dave H. A. Blank. 2007. In Situ Diagnostics by High-Pressure RHEED During PLD. W Pulsed Laser Deposition of Thin Films. Applications-Led Growth of Functional Materials, 85-97. Editor: Robert Eason. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
• [39] Rauch L., R. Kuziak, M. Pietrzyk. 2014. „From high accuracy to high efficiency in simulations of processing of dual-phase steels”. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science 45 (2): 497–506.
• [40] Stróżak M., Z. Mitura, M. Jałochowski, M. Subotowicz. 1994. „RHEED intensity oscillations during the growth of Pb-In films on Si(111) with modified surface”. Vacuum 45 (1–2): 303–305.
• [41] Skrzypek Stanisław Jan. 2002. Nowe możliwości pomiaru makronaprężeń własnych materiałów przy zastosowaniu dyfrakcji promieniowania X w geometrii stałego kąta padania. Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH.
• [42] Watanabe Kazuto, Shinya Hara, Yoshimi Horio, Iwao Hashimoto. 1998. „A two-dimensional Bloch-wave method for dynamical RHEED calculations”. Acta Crystallographica A54 (4): 452–459.
• [43] Wojtarowicz Łukasz. 2019. Opracowanie uproszczonego modelu geometrycznego komory próżniowej do osadzania warstw metodą PLD. Praca dyplomowa inżynierska. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.
• [44] Zdyb R., M. Stróżak, M. Jałochowski. 2001. „Gold-induced faceting on Si(533) surface studied by RHEED”. Vacuum 63 (1–2): 107–112.
• [45] Zhao T.C., H.C. Poon, S.Y. Tong. 1988. „Invariant-embedding R-matrix scheme for reflection high-energy electron diffraction”, Physical Review B 38 (2): 1172–1182.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).