Reflektometria neutronowa

Reflektometria neutronowa to technika dyfrakcji neutronów służąca do pomiaru struktury cienkich warstw , podobna do często uzupełniających się technik odbicia promieniowania rentgenowskiego i elipsometrii . Technika ta dostarcza cennych informacji w szerokim zakresie zastosowań naukowych i technologicznych, w tym agregacji chemicznej, adsorpcji polimerów i środków powierzchniowo czynnych , struktury cienkowarstwowych systemów magnetycznych, membran biologicznych itp.

Historia

Reflektometria neutronowa pojawiła się jako nowa dziedzina w latach 80. XX wieku, po odkryciu gigantycznego magnetooporu w wielowarstwowych filmach sprzężonych antyferromagnetycznie .

Technika

Technika ta polega na oświetleniu silnie skolimowanej wiązki neutronów na ekstremalnie płaską powierzchnię i pomiarze intensywności odbitego promieniowania w funkcji kąta lub długości fali neutronów. Dokładny kształt profilu odbicia dostarcza szczegółowych informacji o strukturze powierzchni, w tym o grubości, gęstości i chropowatości wszelkich cienkich warstw nałożonych na podłoże.

Reflektometria neutronowa jest najczęściej wykonywana w trybie odbicia zwierciadlanego , gdzie kąt wiązki padającej jest równy kątowi wiązki odbitej. Odbicie jest zwykle opisywane za pomocą wektora przenoszenia pędu , oznaczonego $opisuje$ zmianę pędu neutronu po odbiciu od materiału Konwencjonalnie $tylko$ jest definiowany jako kierunek normalny do powierzchni, a dla odbicia zwierciadlanego wektor rozpraszania ma ${\ displaystyle z}$ - składnik. Typowy wykres reflektometrii neutronów przedstawia odbitą intensywność (w stosunku do padającej wiązki) jako funkcję wektora rozpraszania:

{\ Displaystyle q_ {z} = {\ Frac {4 \ pi} {\ lambda}} \ sin (\ teta)}

gdzie jest długością fali $kątem$ $,$ jest padania. Formalizm macierzy Abelesa lub rekurencja Parratta mogą być użyte do obliczenia sygnału lustrzanego powstającego na interfejsie.

Reflektometria pozazwierciadlana powoduje rozpraszanie rozproszone i obejmuje przenoszenie pędu w warstwie i jest wykorzystywana do określania korelacji poprzecznych w warstwach, takich jak korelacje wynikające z domen magnetycznych lub skorelowanej w płaszczyźnie chropowatości.

Długość fali neutronów wykorzystywanych do odbicia jest zazwyczaj rzędu 0,2 do 1 nm (2 do 10 Å ). Ta technika wymaga źródła neutronów , którym może być reaktor badawczy lub źródło spallacyjne (oparte na akceleratorze cząstek ). Podobnie jak wszystkie rozpraszania neutronów , reflektometria neutronowa jest wrażliwa na kontrast powstający w różnych jądrach (w porównaniu z gęstością elektronów mierzoną za pomocą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego). Pozwala to technice rozróżniać różne izotopy elementów . _ Reflektometria neutronowa mierzy gęstość długości rozpraszania neutronów (SLD) i może być wykorzystana do dokładnego obliczenia gęstości materiału , jeśli znany jest skład atomowy.

Porównanie z innymi technikami reflektometrii

Chociaż inne techniki odbicia (w szczególności odbicia optycznego, reflektometrii rentgenowskiej) działają na tych samych ogólnych zasadach, pomiary neutronów są korzystne z kilku znaczących powodów. Przede wszystkim, ponieważ technika bada kontrast jądrowy, a nie gęstość elektronową, jest bardziej czuła do pomiaru niektórych pierwiastków, zwłaszcza pierwiastków lżejszych ( wodór , węgiel , azot , tlen itp.). Wrażliwość na izotopy pozwala również na znaczne (i selektywne) zwiększenie kontrastu dla niektórych interesujących systemów przy użyciu podstawienia izotopowego, a wiele eksperymentów, które różnią się tylko podstawieniem izotopowym, można wykorzystać do rozwiązania problemu fazowego, który jest ogólny dla technik rozpraszania . Wreszcie, neutrony są wysoce penetrujące i zazwyczaj nie powodują zakłóceń: co pozwala na dużą elastyczność w środowiskach próbek i wykorzystanie delikatnych materiałów próbek (np. próbek biologicznych). Z kolei promieniowanie rentgenowskie może uszkodzić niektóre materiały, a światło laserowe może zmodyfikować niektóre materiały (np ). Ponadto techniki optyczne mogą obejmować niejednoznaczność spowodowaną anizotropią optyczną ( dwójłomnością ), którą mogą rozwiązać pomiary neutronów uzupełniających. Interferometria z podwójną polaryzacją jest jedną z metod optycznych, która zapewnia wyniki analogiczne do reflektometrii neutronowej przy porównywalnej rozdzielczości, chociaż leżący u jej podstaw model matematyczny jest nieco prostszy, tj. może wyprowadzić grubość (lub dwójłomność ) tylko dla jednolitej gęstości warstwy.

Wady reflektometrii neutronowej obejmują wyższy koszt wymaganej infrastruktury, fakt, że niektóre materiały mogą stać się radioaktywne po wystawieniu na działanie wiązki oraz niewrażliwość na stan chemiczny atomów składowych. Co więcej, stosunkowo niższy strumień i wyższe tło tej techniki (w porównaniu do $można sondować (a$ odbicia promieniowania rentgenowskiego) ograniczają maksymalną wartość, którą samym rozdzielczość pomiaru).

Bibliografia _ Gibaud, Alain, wyd. (2009). Odbicie promieniowania rentgenowskiego i neutronów . Notatki z wykładów z fizyki. Tom. 770. Berlin Heidelberg: Springer. P. 183. ISBN 9783540885870 .

Linki zewnętrzne

[1] Bibliografia _ Gibaud, Alain, wyd. (2009). Odbicie promieniowania rentgenowskiego i neutronów . Notatki z wykładów z fizyki. Tom. 770. Berlin Heidelberg: Springer. P. 183. ISBN 9783540885870 .