Düşük enerjili elektron kırınımı

Düşük enerjili elektron kırınımı, veya LEED (Low energy electron diffraction), Kristal yüzeylerden saçılan düşük enerjili elektronların (< 500 elektronvolt) oluşturduğu kırınım motiflerinin görüntülendiği teknik. Yüzeyin atomik yapısı üzerine detaylı bilgi veren LEED yüzey bilimi çerçevesinde büyük uygulama alanına sahiptir.

Monokromatik yani tek-enerjili elektronların kırınımı, ışık kırınımında olduğu gibi, periyodu dalgaboyundan çok küçük veya çok büyük olmamak üzere, periyodik bir yapıdan kaynaklanır. Yukarıda bahsedilen enerjilerdeki elektronların dalgaboyu atomik boyutlardan küçük olduğu için kristal yapıyı incelemeye uygundur. Bunun yanı sıra enerjinin düşüklüğü elektronların materyalin ancak yüzeysel birkaç atomik katmanına ulaşmalarına izin verir.

Tarihçe

Elektron kırınımı fikri ilk defa Louis de Broglie tarafından 1924'de ortaya atıldı. de Broglie modern fiziğin temellerinde yer alan teorisinde her parçacığın aynı zamanda bir dalga gibi davrandığını ve yapılan gözleme göre gözlemcinin dalga veya parçacık özellikleriyle karşılaşabileceğini açıkladı. Elektronların kırınımı izleyen yıllarda Bell laboratuvarında gözlendi. Birçok diğer buluşta olduğu gibi bu da aslında yapılan deneyin amacı olarak tasarlanmamıştı. Araştırmacıların (ünlü Davisson ve Germer) yanlışlıkla bir nikel (Ni) parçasını aşırı ısıtmaları sonucu örneğin kısmen erimesi ve kristalleşmesi sonucu, beklenmedik bir şekilde, örnekten yansıyan elektronların simetrik motifler oluşturan küçük noktacıklarda odaklandığı gözlendi. Bu sonucu de Broglie'nin teorisini destekleyen bir kısım deney izledi. Davisson ve Germer ile aşağı yukarı aynı zamanda yüksek enerjili elektronlarla da gözlenen kırınım elektronun dalga özelliğini gözler önüne sermiş oldu.

Yüksek enerjili elektronların kırınımı (Thomson saçılması) atomlar arası bağ uzunluklarının belirlenmesinde hemen uygulama alanı bulurken, düşük enerjili elektron kırınımı çok uzun yıllar sırasını bekledi. Bunun temel nedenleri yavaş elektronların yüzeye son derece duyarlı olması ve aynı zamanda yine bu düşük enerjilerde atomlar arası saçılmaların da önem kazanmasıydı. İlki atomik seviyede temiz çok düzenli yüzeyleri dolayısıyla da ultra yüksek vakum teknolojisini gerektirirken, atomlar arası saçılmalar ise teorik hesapları son derece zorlaştırdı.

Ölçüm Düzeneği

Tipik bir LEED düzeneğinin şeması.

Temelde elektron kırınımını gözlemek için gereken düzenek elektron kaynağı, elektronlara istenen enerjiyi kazandıracak hızlandırıcı voltaj, kristal yüzey, ve açısal çözünürlüğü olan bir ölçüm aletinden (multi-channel plate, fosfor, CCD kamera vb) ibarettir.

Kaynaklar

[1] M.A. Van Hove, W.H. Weinberg and C.-M. Chan, Low-Energy Electron Diffraction, Springer Verlag, 1986.
[2] J.B. Pendry, Low Energy Electron Diffraction, Academic Press, 1974.
[3] P. Goodman (General Editor), Fifty Years of Electron Diffraction, D. Reidel Publishing, 1981