低能电子衍射中铋/镍(111)体系的共振散射现象及其对表面结构分析的启示

研究人员针对低能电子衍射(LEED)中常被忽视的共振散射现象，在Bi/Ni(111)单层薄膜体系中，通过微区LEED(μLEED)和能量依赖分析，首次系统揭示了表面电子共振(SER)对衍射强度的关键影响。该研究不仅证实了图像势阱本征态在电子衍射中的核心作用，还为超低能LEED-IV结构分析提供了新的理论框架。

　　

在表面科学领域，低能电子衍射(LEED)长期以来被视为解析表面原子排列的"黄金标准"。然而，当电子能量降至50 eV以下时，衍射图谱中常出现难以解释的强度异常——这些"幽灵斑点"时而闪现时而消失，如同量子世界的暗物质，困扰着研究者数十年。荷兰特文特大学(University of Twente)MESA+纳米技术研究所的Bene Poelsema团队在《Ultramicroscopy》发表的研究，首次在Bi/Ni(111)单层薄膜体系中捕捉到这些现象的本质：电子在穿越图像势阱(image potential)本征态时发生的共振散射。

研究采用微区LEED(μLEED)结合能量扫描技术，通过1.4 μm选区衍射确保单畴测量精度。关键创新在于同步记录0-50 eV范围内衍射斑点的强度-能量(IV)曲线，并利用LEEM的平行波矢特性构建累积衍射图谱。特别关注了Bi薄膜的c(2×2)超结构与其Ni(111)衬底的高阶公度关系。

【引言】传统LEED-IV分析忽略了电子在图像势阱中的暂态捕获过程。研究团队发现，当电子能量接近Ewald球时，会通过表面电子共振(SER)机制产生特征性衍射峰。Bi/Ni(111)因其强衍射能力成为理想模型体系，Bi原子3.48 ?的间距导致的强排斥作用为共振散射提供了独特环境。

【实验结果】

1. 共振散射特征：在1.2 eV、5.8 eV和7.2 eV处观察到离散的衍射峰，对应Bi薄膜5.48 ?和4.31 ?的晶格周期。这些峰仅在特定能量出现，符合SER的瞬态捕获特性。

2. 能量-强度谱分析：(0 2)峰异常宽化的IV曲线揭示了沿Ni[-110]方向存在>20 nm长、<<20 nm宽的平移畴结构，通过22种可能的Bi-Ni锚定位点分布得到完美解释。

3. 累积衍射图谱：发现5/10独立衍射斑存在SER证据，证实共振散射是低能LEED的普遍现象。

【讨论】该研究颠覆了传统LEED-IV分析范式：

1. 首次证实SER会导致常规衍射峰低能侧的强度增强，这对精确结构解析至关重要

2. 提出"双散射通道"模型：电子可通过Bi层周期(红色路径)或Ni衬底周期(蓝色路径)逃逸

3. 为理解其他强耦合吸附体系(如III-V族元素/过渡金属)的衍射异常提供了新思路

这项研究不仅解决了低能电子衍射中长期存在的强度异常问题，更开辟了利用SER效应研究表面电子态的新途径。特别值得注意的是，作者发现沿Ni[11-2]方向的严格公度性与沿Ni[-110]方向的柔性畴结构共存，这种各向异性为设计新型量子限域材料提供了重要启示。正如论文结论强调的，在表面结构解析中忽视共振散射效应，就如同在X射线衍射中忽略Bragg条件——这项研究必将重新定义超低能LEED的分析标准。