低速電子線回折

低速電子線回折（LEED）は、固体表面の原子配列を解析するための重要な技術です。この手法では、低エネルギーの電子線を試料表面に照射し、回折された電子のパターンを観察することで、表面の結晶構造に関する情報を得ます。LEEDの最大の特徴は、使用する電子のエネルギーが低いことです。具体的には、20〜200eVの範囲の電子が用いられます。この低エネルギー電子を用いることで、電子の侵入深さが数ナノメートル程度に抑えられ、表面層の構造情報を選択的に得ることができます。これに対し、反射高速電子線回折（RHEED）は数keVから100keVの電子を用いるため、より深い領域の情報を取得します。

LEED装置の構成

LEED装置は、主に以下の要素で構成されています。

1. 電子銃: 電子線を生成する装置です。電子銃から放出された電子は、特定のエネルギーに加速され、試料に向けて照射されます。
2. 試料ホルダー: 試料を固定し、位置や角度を調整する機構です。試料は電子線に対して垂直に設置されます。
3. 蛍光スクリーン: 試料から散乱された電子を検出する役割を果たします。半球状の蛍光スクリーンは、電子銃と同じ側に設置されており、回折された電子が衝突すると発光します。この発光パターンを観察することで、試料の表面構造を解析します。

LEEDの原理

LEEDの基本的な原理は、X線回折や中性子線回折と同様です。電子が波としての性質（物質波）を持つことを利用し、結晶格子との相互作用によって起こる回折現象を観察します。しかし、LEEDで使用される低エネルギー電子は、結晶内部への侵入が浅いため、表面層の構造情報に特化しています。このため、LEEDでは、表面の結晶格子を二次元的に扱うことができます。通常の回折法では三次元的な格子を考慮しますが、LEEDでは表面に垂直な成分を無視し、表面の二次元格子のみを対象とします。この際、逆格子は表面格子の逆格子点から表面に垂直な方向へ連なるロッド状の形状となります。

エバルトの作図では、この逆格子ロッドとエバルト球の交点が回折光の強めあう方向を示します。LEED装置の半球状の蛍光スクリーンは、エバルト球を拡大したものと考えることができます。したがって、スクリーン上には、結晶表面の二次元格子の逆格子と同じ形状のパターンが観察されます。この回折パターンを分析することで、表面の原子配列や結晶構造を詳細に調べることができます。

LEEDの応用

LEEDは、表面科学における基本的な分析手法として広く用いられています。例えば、以下のような研究分野で活用されています。

表面再構成: 清浄な固体表面が、バルクの結晶構造とは異なる原子配列を持つ現象を解析します。
吸着現象: 固体表面に原子や分子が吸着する際の構造変化を調べます。
薄膜成長: 薄膜の成長過程における結晶構造の変化を解析します。
触媒表面: 触媒反応における表面構造の役割を調べます。

LEEDは、表面の原子レベルでの構造情報を提供する強力なツールであり、物質科学やナノテクノロジー分野における研究開発に不可欠な技術です。

参考文献

日本化学会編『実験化学講座 24 表面・界面』（第5版）丸善、2007年。
日本表面科学会「新訂版・表面科学の基礎と応用」編集委員会編『表面科学の基礎と応用 : 日本表面科学会設立25周年記念』（新訂版）エヌ・ティー・エス、2004年。

関連項目

物性物理学
表面物理学
電子回折
反射高速電子線回折
* オージェ電子分光

もう一度検索