Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Малоугловое рассеяние при скользящем падении ( GISAS ) - это метод рассеяния, используемый для исследования наноструктурированных поверхностей и тонких пленок. Рассеянный зонд - это либо фотоны ( малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении , GISAXS ), либо нейтроны ( малоугловое рассеяние нейтронов при скользящем падении , GISANS ). GISAS объединяет доступные масштабы длины малоуглового рассеяния (SAS: SAXS или SANS ) и поверхностную чувствительность дифракции скользящего падения (GID).

Геометрия эксперимента GISAS. Падающий луч падает на образец под небольшим углом, близким к критическому углу полного внешнего отражения рентгеновского излучения. Интенсивный отраженный луч, а также сильное рассеяние в падающей плоскости ослабляются стержневым ограничителем луча. Диффузное рассеяние от образца (красная стрелка) регистрируется площадным детектором. В качестве примера показано рассеяние от пленки блок-сополимера с перпендикулярными ламелями в плоскости детектора. Две доли рассеяния соответствуют латеральному периоду ламелей около 80 нм.

Приложения [ править ]

Типичным применением GISAS является определение характеристик самосборки и самоорганизации на наномасштабе в тонких пленках. Системы, изученные GISAS, включают массивы квантовых точек, [1] нестабильности роста, образующиеся во время роста in-situ, [2] самоорганизованные наноструктуры в тонких пленках блок-сополимеров , [3] мезофазы кремнезема [4] [5] и наночастицы . [6] [7]

GISAXS был введен Левином и Коэном [8] для изучения осушения золота, нанесенного на поверхность стекла. Этот метод был далее развит Naudon [9] и его коллегами для изучения металлических агломератов на поверхностях и в заглубленных границах раздела. [10] С появлением нанонауки быстро развились и другие приложения, в первую очередь в области твердых материалов, таких как определение характеристик квантовых точек на поверхности полупроводников и определение характеристик металлических отложений на поверхностях оксидов на месте. Вскоре за этим последовали системы мягких веществ , такие как ультратонкие полимерные пленки, [11] полимерные смеси, блок-сополимеры.пленки и другие самоорганизованные наноструктурированные тонкие пленки, которые стали незаменимыми для нанонауки и технологий. Будущие проблемы GISAS могут быть связаны с биологическими приложениями, такими как белки , пептиды или вирусы, прикрепленные к поверхностям или в липидных слоях.

Интерпретация [ править ]

В качестве гибридного метода GISAS объединяет концепции малоуглового рассеяния при пропускании (SAS), дифракции скользящего падения (GID) и диффузной рефлектометрии. От SAS он использует форм-факторы и структурные факторы. Из GID он использует геометрию рассеяния, близкую к критическим углам подложки и пленки, и двумерный характер рассеяния, что приводит к появлению диффузных стержней с интенсивностью рассеяния, перпендикулярных поверхности. С диффузной (незеркальной) рефлектометрией он разделяет такие явления, как пик Йонеды / Виньярда при критическом угле образца, и теорию рассеяния, борновское приближение искаженной волны (DWBA). [12] [13] [14]Однако, в то время как диффузное отражение остается ограниченным плоскостью падения (плоскость, заданная падающим лучом и нормалью к поверхности), GISAS исследует полное рассеяние от поверхности во всех направлениях, обычно используя площадной детектор. Таким образом, GISAS получает доступ к более широкому диапазону боковых и вертикальных структур и, в частности, чувствителен к морфологии и предпочтительному выравниванию наноразмерных объектов на поверхности или внутри тонкой пленки.

Как частное следствие DWBA, рефракция рентгеновских лучей или нейтронов должна всегда приниматься во внимание в случае исследования тонких пленок [15] [16] из-за того, что углы рассеяния малы, часто меньше чем 1 град. Коррекция рефракции применяется к перпендикулярной составляющей вектора рассеяния относительно подложки, в то время как параллельная составляющая не изменяется. Таким образом, параллельное рассеяние часто можно интерпретировать в рамках кинематической теории SAS, в то время как поправки на преломление применяются к рассеянию вдоль перпендикулярных срезов рассеивающего изображения, например, вдоль рассеивающего стержня.

При интерпретации изображений GISAS возникают некоторые сложности при рассеянии от пленок с низким Z, например органических материалов на кремниевых пластинах, когда угол падения находится между критическими углами пленки и подложки. В этом случае отраженный луч от подложки имеет такую ​​же силу, что и падающий луч, и, таким образом, рассеяние от отраженного луча от пленочной структуры может вызвать удвоение характеристик рассеяния в перпендикулярном направлении. Это, а также интерференция между рассеянием от прямого и отраженного лучей могут быть полностью объяснены теорией рассеяния DWBA. [16]

Эти сложности часто более чем компенсируются тем фактом, что динамическое увеличение интенсивности рассеяния является значительным. В сочетании с простой геометрией рассеяния, когда вся важная информация содержится в одном изображении рассеяния, упрощаются эксперименты на месте и в реальном времени. В частности, самоорганизация во время роста МПЭ [2] и процессы реорганизации в пленках блок-сополимеров под действием паров растворителя [3] были охарактеризованы в соответствующих временных масштабах от секунд до минут. В конечном итоге временное разрешение ограничено потоком рентгеновских лучей на образцах, необходимым для получения изображения, и временем считывания детектора площади.

Экспериментальная практика [ править ]

Выделенные или частично выделенные лучи GISAXS существуют во многих источниках синхротронного света (например, SSRL , APS , CHESS , ESRF , HASYLAB , NSLS , Pohang Light Source), а также Advanced Light Source в LBNL.

На объектах нейтронных исследований все чаще используются GISANS, как правило, на малоугловых приборах (SANS) или на рефлектометрах .

GISAS не требует какой-либо специальной подготовки образцов, кроме методов осаждения тонких пленок. Толщина пленки может составлять от нескольких нм до нескольких 100 нм, и такие тонкие пленки все еще полностью проникают рентгеновским лучом. Поверхность пленки, внутренняя часть пленки, а также граница раздела подложка-пленка - все это доступно. Изменяя угол падения, можно идентифицировать различные вклады.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мецгер, TH; Кегель, I .; Paniago, R .; Lorke, A .; Peisl, J .; и другие. (1998). «Форма, размер, деформация и корреляции в системах квантовых точек, изученных методами рассеяния рентгеновских лучей при скользящем падении». Тонкие твердые пленки . Elsevier BV. 336 (1–2): 1–8. Bibcode : 1998TSF ... 336 .... 1M . DOI : 10.1016 / s0040-6090 (98) 01290-5 . ISSN  0040-6090 .
  2. ^ a b Renaud, G .; Лаццари, Реми; Ревенант, Кристина; Барбье, Антуан; Ноблет, Мэрион; и другие. (30.05.2003). «Мониторинг роста наночастиц в реальном времени». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 300 (5624): 1416–1419. Bibcode : 2003Sci ... 300.1416R . DOI : 10.1126 / science.1082146 . ISSN 0036-8075 . PMID 12775836 . S2CID 7244337 .   
  3. ^ a b Smilgies, Детлеф-М .; Буш, Питер; Пападакис, Кристина М .; Посселт, Дорте (2002). «Характеристика полимерных тонких пленок с малоугловым рассеянием рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS)». Новости синхротронного излучения . Informa UK Limited. 15 (5): 35–42. DOI : 10.1080 / 08940880208602975 . ISSN 0894-0886 . S2CID 122797468 .  
  4. ^ Gibaud, A .; Grosso, D .; Смарсли, Б .; Baptiste, A .; Bardeau, JF; Babonneau, F .; Доши, Д.А. Chen, Z .; Бринкер, К. Джеффри; Санчес, К. (2003). «Самостоятельная сборка кремнеземных поверхностно-активных мезофаз с контролируемым испарением». Журнал физической химии B . Американское химическое общество (ACS). 107 (25): 6114–6118. DOI : 10.1021 / jp027612l . ISSN 1520-6106 . 
  5. ^ Chatterjee, P .; Hazra, S .; Аменич, Х. (2012). «Субстрат и эффект сушки в форме и упорядочении мицелл внутри мезоструктурированных пленок CTAB – кремнезем». Мягкая материя . Королевское химическое общество (RSC). 8 (10): 2956. Bibcode : 2012SMat .... 8.2956C . DOI : 10.1039 / c2sm06982b . ISSN 1744-683X . S2CID 98053328 .  
  6. ^ Хазра, S .; Gibaud, A .; Селла, К. (19 июля 2004 г.). «Настраиваемое поглощение тонких пленок нанокермета Au – Al 2 O 3 и его морфология». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 85 (3): 395–397. Bibcode : 2004ApPhL..85..395H . DOI : 10.1063 / 1.1774250 . ISSN 0003-6951 . 
  7. ^ Сондерс, Аарон Э .; Гезельбаш Али; Smilgies, Детлеф-М .; Сигман, Майкл Б .; Коргель, Брайан А. (2006). «Колонная самосборка коллоидных нанодисков». Нано-буквы . Американское химическое общество (ACS). 6 (12): 2959–2963. Bibcode : 2006NanoL ... 6.2959S . DOI : 10.1021 / nl062419e . ISSN 1530-6984 . PMID 17163739 .  
  8. ^ Левин, младший; Коэн, JB; Чанг, Ю.В.; Георгопулос, П. (1989-12-01). "Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей скользящим падением: новый инструмент для изучения роста тонких пленок". Журнал прикладной кристаллографии . Международный союз кристаллографии (IUCr). 22 (6): 528–532. DOI : 10,1107 / s002188988900717x . ISSN 0021-8898 . 
  9. ^ А. Naudon в Н. Brumberger (ред.): "Современные аспекты малоуглового рассеяния", (Kluwer Academic Publishers, Амстердам, 1995), стр. 191.
  10. ^ Хазра, S; Гибо, А; Дезерт, А; Селла, С; Наудон, А (2000). «Морфология тонких пленок нанокермета: исследование рассеяния рентгеновских лучей». Physica B: конденсированное вещество . Elsevier BV. 283 (1–3): 97–102. Bibcode : 2000PhyB..283 ... 97H . DOI : 10.1016 / s0921-4526 (99) 01899-2 . ISSN 0921-4526 . 
  11. ^ Gutmann, JS; Müller-Buschbaum, P .; Шуберт, DW; Stribeck, N .; Smilgies, D .; Штамм, М. (2000). «Корреляции шероховатости в ультратонких пленках из смеси полимеров». Physica B: конденсированное вещество . Elsevier BV. 283 (1–3): 40–44. Bibcode : 2000PhyB..283 ... 40G . DOI : 10.1016 / s0921-4526 (99) 01888-8 . ISSN 0921-4526 . (Труды SXNS – 6)
  12. ^ Sinha, SK; Sirota, EB; Garoff, S .; Стэнли, HB (1988-08-01). «Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов на шероховатых поверхностях». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 38 (4): 2297–2311. Bibcode : 1988PhRvB..38.2297S . DOI : 10.1103 / Physrevb.38.2297 . ISSN 0163-1829 . PMID 9946532 .  
  13. ^ Rauscher, M .; Salditt, T .; Спон, Х. (1995-12-15). "Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении: сечение в борновском приближении искаженных волн". Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 52 (23): 16855–16863. Bibcode : 1995PhRvB..5216855R . DOI : 10.1103 / Physrevb.52.16855 . ISSN 0163-1829 . PMID 9981092 .  
  14. ^ Лаццари, Реми (2002-07-18). «IsGISAXS: программа для анализа малоуглового рентгеновского рассеяния скользящего падения на поддерживаемых островах» . Журнал прикладной кристаллографии . Международный союз кристаллографии (IUCr). 35 (4): 406–421. DOI : 10.1107 / s0021889802006088 . ISSN 0021-8898 . 
  15. ^ Ли, Byeongdu; Парк, Инсун; Юн, Джинхван; Пак, Суджин; Ким, Джехан; Ким, Кван Ву; Чанг, Тайхён; Ри, Мунхор (2005). «Структурный анализ тонких пленок блок-сополимеров с малоугловым рассеянием рентгеновских лучей при скользящем падении». Макромолекулы . Американское химическое общество (ACS). 38 (10): 4311–4323. Bibcode : 2005MaMol..38.4311L . DOI : 10.1021 / ma047562d . ISSN 0024-9297 . 
  16. ^ a b Busch, P .; Rauscher, M .; Smilgies, D.-M .; Posselt, D .; Пападакис, CM (10 мая 2006 г.). "Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей скользящим падением на тонких полимерных пленках с пластинчатой ​​структурой - сечение рассеяния в борновском приближении искаженных волн". Журнал прикладной кристаллографии . Международный союз кристаллографии (IUCr). 39 (3): 433–442. DOI : 10.1107 / s0021889806012337 . ISSN 0021-8898 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Руководство по GISAXS и GIWAXS от Detlef-M. Смайлы
  • Количественная оценка пористости тонких пористых пленок с помощью GISAXS , производителя рентгеновского оборудования Hecus
  • ПО для моделирования и подгонки isGISAXS от Реми Лаццари
  • Программное обеспечение для моделирования / подгонки FitGISAXS от Дэвида Бабонно
  • Программное обеспечение для моделирования и подгонки BornAgain от Scientific Computing Group из MLZ Garching
  • Код моделирования HiPGISAXS Massively Parallel GISAXS от LBNL