Нейтронная рефлектометрия - это метод нейтронной дифракции для измерения структуры тонких пленок , аналогичный часто дополняющим методикам рентгеновской отражательной способности и эллипсометрии . Этот метод дает ценную информацию по широкому кругу научных и технологических приложений, включая химическую агрегацию, адсорбцию полимеров и поверхностно-активных веществ , структуру тонкопленочных магнитных систем, биологические мембраны и т. Д.
История
Рефлектометрия нейтронов возникла как новая область в 1980-х годах после открытия гигантского магнитосопротивления в многослойных пленках с антиферромагнитной связью. [1]
Техника
Этот метод включает в себя направление сильно коллимированного пучка нейтронов на чрезвычайно плоскую поверхность и измерение интенсивности отраженного излучения в зависимости от угла или длины волны нейтронов. Точная форма профиля отражательной способности предоставляет 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 , когда угол падающего луча равен углу отраженного луча. Отражение обычно описывается в терминах импульса переноса вектора , обозначается, который описывает изменение импульса нейтрона после отражения от материала. Обычно Направление определяется как направление, нормальное к поверхности, а для зеркального отражения вектор рассеяния имеет только -составная часть. Типичный график нейтронной рефлектометрии отображает отраженную интенсивность (относительно падающего луча) как функцию вектора рассеяния:
где - длина волны нейтрона , аугол падения. Матричный формализм Абелесы или рекурсия Parratt может быть использована для вычисления зеркального сигнала , возникающий 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 составляет 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, рефлектометрия нейтронов чувствительна к контрасту, возникающему от различных ядер (по сравнению с электронной плотностью, которая измеряется при рассеянии рентгеновских лучей). Это позволяет метод , чтобы различать различные изотопы из элементов . Нейтронная рефлектометрия измеряет плотность длины рассеяния нейтронов (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 ряд преимуществ. В частности, поскольку этот метод исследует ядерный контраст, а не электронную плотность, он более чувствителен для измерения некоторых элементов, особенно легких элементов ( водорода , углерода , азота , кислорода и т. Д.). Чувствительность к изотопам также позволяет значительно (и избирательно) 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 методов рассеяния. Наконец, нейтроны обладают высокой проникающей способностью и, как правило, не вызывают возмущений: что обеспечивает большую гибкость условий окружающей среды для образцов и использование чувствительных материалов для образцов (например, биологических образцов). Напротив, рентгеновское облучение может повредить некоторые материалы, а лазерный свет может изменить некоторые материалы (например, фоторезисты ). Кроме того, оптические методы могут включать неоднозначность из-за оптической анизотропии ( двойного лучепреломления ), 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, то есть она может определить толщину (или двойное лучепреломление ) только для однородной плотности 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 что можно зондировать (и, следовательно, разрешение измерения).