Нейтронная рефлектометрия

редактировать

Нейтронная рефлектометрия - это нейтронная дифракция методика измерения структуры тонких пленок, аналогично часто дополняющим друг друга методам рентгеновской отражательной способности и эллипсометрии. Этот метод дает ценную информацию по широкому кругу научных и технологических приложений, включая химическую агрегацию, полимер и поверхностно-активное вещество адсорбцию, структуру тонкопленочных магнитных систем, биологические мембраны. и т. д.

Содержание

1 Технические характеристики
2 Сравнение с другими методами рефлектометрии
3 Ссылки
4 Внешние ссылки

Технические подробности

Этот метод включает в себя освещение высоко коллимировал пучок нейтронов на чрезвычайно плоскую поверхность и измерял интенсивность отраженного излучения как функцию угла или длины волны нейтронов. Точная форма профиля отражательной способности дает подробную информацию о структуре поверхности, включая толщину, плотность и шероховатость любых тонких пленок, нанесенных на подложку.

Нейтронная рефлектометрия чаще всего выполняется в режиме зеркального отражения, где угол падающего луча равен углу отраженного луча. Отражение обычно описывается в терминах импульса переноса вектора, обозначаемого $qz {\ displaystyle q_ {z}}$ $q_ {z}$ , который описывает изменение импульса нейтрона после отражения от материала. Обычно направление $z {\ displaystyle z}$ $z$ определяется как направление, нормальное к поверхности, а для зеркального отражения вектор рассеяния имеет только $z {\ displaystyle z}$ $z$ -компонент. Типичный график нейтронной рефлектометрии отображает отраженную интенсивность (относительно падающего луча) как функцию вектора рассеяния:

qz = 4 π λ sin ⁡ (θ) {\ displaystyle q_ {z} = {\ frac {4 \ pi} {\ lambda}} \ sin (\ theta)}

q_ {z} = {\ frac {4 \ pi} {\ lambda}} \ sin (\ theta)

где $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ - нейтронная длина волны, а $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ - угол падения. Матричный формализм Абелеса или рекурсия Парратта могут использоваться для вычисления зеркального сигнала, возникающего из интерфейса.

Рефлектометрия вне зеркала приводит к диффузному рассеянию и включает передачу импульса внутри слоя и используется для определения латеральных корреляций внутри слоев, например, возникающих из магнитных доменов или коррелированной шероховатости в плоскости.

Длина волны нейтронов, используемых для отражательной способности, обычно находится в диапазоне от 0,2 до 1 нм (от 2 до 10 Å ). Для этого метода требуется источник нейтронов, который может быть либо исследовательским реактором, либо источником расщепления (на основе ускорителя частиц ). Как и все методы рассеяния нейтронов, нейтронная рефлектометрия чувствительна к контрасту, возникающему от разных ядер (по сравнению с электронной плотностью, которая измеряется при рассеянии рентгеновских лучей). Это позволяет методике различать различные изотопы из элементов. Нейтронная рефлектометрия измеряет длину рассеяния нейтронов плотность (SLD) и может использоваться для точного расчета плотности материала, если известен атомный состав.

Сравнение с другими методами рефлектометрии

Хотя другие методы отражательной способности (в частности, оптическая отражательная способность, рентгеновская рефлектометрия) работают с использованием тех же общих принципов, нейтронные измерения имеют несколько важных преимуществ. В частности, поскольку метод исследует ядерный контраст, а не электронную плотность, он более чувствителен для измерения некоторых элементов, особенно более легких элементов (водород, углерод, азот, кислород и т. Д.). Чувствительность к изотопам также позволяет значительно (и выборочно) повысить контраст для некоторых систем, представляющих интерес, с использованием изотопного замещения, и несколько экспериментов, которые отличаются только изотопным замещением, могут быть использованы для решения фазовой проблемы, которая является общей для методы рассеяния. Наконец, нейтроны обладают высокой проникающей способностью и, как правило, не вызывают возмущений: что обеспечивает большую гибкость в средах образцов и использование хрупких материалов образцов (например, биологических образцов). Напротив, рентгеновское облучение может повредить некоторые материалы, а лазер свет может изменить некоторые материалы (например, фоторезисты ). Кроме того, оптические методы могут включать неоднозначность из-за оптической анизотропии (двулучепреломления ), которую могут разрешить дополнительные нейтронные измерения. Двухполяризационная интерферометрия - это один из оптических методов, который обеспечивает результаты, аналогичные нейтронной рефлектометрии при сопоставимом разрешении, хотя лежащая в основе математическая модель несколько проще, т. Е. Позволяет определить толщину (или двулучепреломление ) равномерная плотность слоя.

К недостаткам нейтронной рефлектометрии относятся более высокая стоимость необходимой инфраструктуры, тот факт, что некоторые материалы могут стать радиоактивными при воздействии луча, и нечувствительность к химическому состоянию составляющих атомов. Более того, относительно более низкий поток и более высокий фон метода (по сравнению с отражательной способностью рентгеновских лучей) ограничивают максимальное значение $qz {\ displaystyle q_ {z}}$ $q_ {z}$ , которое может быть исследовано (и отсюда и разрешение измерения).

Ссылки

Внешние ссылки