Madala energiaga elektronide difraktsioon

Objekti ettevalmistus

Tavaliselt valmistatakse objekt ette väljaspool vaakumkambrit. Lõigatakse umbes 1 mm paksune ja 1 cm diameetriga tükk. Lõige tehakse piki soovitud kristallograafilist tasandit. Kristalli orientatsioon peaks olema 1° piires soovitud suunast. Pärast kambrisse sisestamist objekti pind puhastatakse ja tasandatakse. Puhastatakse ioonkahuriga või keemiliste oksüdeerimis- ja redutseerimisprotsessidega. Objekti pinna tasandamine saavutatakse kõrgel temperatuuril lõõmutamisega.

Elektronkahur

Monokromaatne elektronkiir tekitatakse katoodfilamendi (negatiivse) ja objekti vahelise (positiivse) pingega, mis on tavaliselt 10–600 V. Monokromaatsus on oluline, kuna ekraanil tekkivate täppide asukoht sõltub elektronide energiast. Elektronid kiirendatakse ja fookustatakse elektronläätsede abil 0,1–0,5 mm läbimõõduga kiireks. Skaneerivas elektronmikroskoopide elektronkahurites kasutatakse samu hõõgniite, levinumad on volfram ja lantaanheksaboriid (LaB₆). Enamikus moodsates LEED-süsteemides on paigutatud vaateaken elektronkahuri taha ja see on seetõttu ehitatud võimalikult väiksete mõõtmetega nagu näha pildil 1.

Detektor

LEED-detektorsüsteemi nimetatakse pärssivaks väljaanalüsaatoriks, see koosneb kolmest kuni neljast poolsfäärilisest kontsentrilisest võrest ja luminestseeruvast ekraanist. Võred filtreerivad välja mitteelastselt hajunud elektronid. Esimene võre on maandatud. Teisele ja kolmandale võrele (mida nimetatakse summutusvõreks või väravaks) on rakendatud negatiivne pinge, mis peegeldab teatud energiast madalama energiaga elektronid tagasi.

Auger elektronide spektroskoopia

Neljas võre on vajalik ainult siis, kui detektorsüsteemi kasutatakse tetroodina, kus ekraanil mõõdetakse elektrivoolu tugevust. See võimaldab detektorit kasutada Auger elektronide spektroskoopiaks. Sellise süsteemiga jäädvustati ka esimesed Auger elektronide spektrid. Võrreldes tänapäevaste AES detektoritega on tetroodil suhteliselt kehv müra-signaali suhe. Signaali parandamiseks skaneeritakse lineaarselt summutusvõrega pinget. RC-ahel tekitab pinge teise tuletise, mis võimendatakse ja digitaliseeritakse. Müra vähendamiseks korratakse skaneerimist mitu korda ja tulemus summeeritakse.

Andmekogumine

Moodsad andmekogumissüsteemid kasutavad CCD- või CMOS-kaamerat, mis on suunatud ekraanile difraktsioonimustri jäädvustamiseks. Arvuti jäädvustab andmed ja edaspidine analüüs tehakse spetsiaalse tarkvaraga.

Pinnatundlikkus

Madala energiaga elektronidel on tugev vastasmõju tahkisega. Primaarelektronid kaotavad kineetilist energiat mitteelastse hajumise tõttu: plasmon- ja foononergastused ning elektron-elektron vastasmõju. Praktikas kasutatakse primaarkiirguse neeldumise kirjeldamiseks valemit:
, kus  on primaarkiirguse intensiivsus, d on läbivussügavus,  on mitteelastne vaba tee pikkus. Mitteelastne vaba tee pikkus on vahemaa mille läbimisel kaotab elektronkiirgus 1/e oma intensiivsusest. Mitteelastne vaba tee pikkus sõltub peamiselt elektronide energiast ja ainult vähesel määral materjalist endast. Madala energiaga elektronide (20–200 eV) vabateepikkus on vaid 5–10 Å, mis tähendab et detektorisse jõuab signaal vaid mõnest aatomkihist.

LEED-mustrite tõlgendamine

Luminestseeruval ekraanil nähtav pilt on otsene kujutis pinna pöördvõrest. Ewaldi sfääri suurus ja ka ekraanil nähtavate täppide suurus sõltub pealelangevate elektronide energiast. Teades pöördvõre ja reaalse kristallvõre vahelist seost on võimalik hinnata pinna perioodilisust ja kristallvõre parameetreid.

Dünaamiline LEED-teooria ja struktuuranalüüs

Kui mõõta LEED-mustri täppide intensiivsuse sõltuvust elektronide energiast, saame niinimetatud I–V kõverad (pilt 5). Selle jäädvustamiseks kasutatakse tavaliselt arvuti külge ühendatud CCD-kaamerat.
Üksikharjumise kinemaatilisest teooriast ei piisa saadud kõverate kirjeldamiseks. Arvestada tuleb mitut hajumisprotsessi, mis on põhjustatud madala energiaga elektronide suurest hajumise ristlõike pindalast. Hajumisprotsessid toimuvad ka alumistelt võre tasanditelt, mitte ainult pealmiselt. Nende täiendavate hajumisprotsesside arvestamiseks kasutatakse dünaamilist teooriat.
Kasutatakse kahte lähenemist. Kõige otsekohesem lahendus oleks lahendada Schrödingeri võrrand täiusliku poollõpmatu kolmemõõtmelise kristallvõre jaoks. Poollõpmatu tahkise difraktsiooni erilahend leitakse Blochi laine, pealelangevate ja peegelduvate elektronide lainevõrrandite ühildamisest. Teine võimalus on arvestada perioodilisust ainult kahemõõtmeliste kihtide jaoks ja leida Schrödingeri võrrandi välja lahend kihtide järjestikuste panuste summana.
LEED-eksperimendist saadud I–V kõvera analüüs on järkjärguline protsess, kus tehakse eeldused pinna struktuuri kohta, arvutatakse teoreetiline I–V kõver ja siis võrreldakse seda katseandmetega. Seejärel tehakse eeldustele muudatusi, arvutatakse uuesti ja võrreldakse, kas lähendus läks paremaks või mitte.