Нейтронная рефлектометрия — это метод нейтронной дифракции для измерения структуры тонких пленок , аналогичный часто дополняющим друг друга методам рентгеновской отражательной способности и эллипсометрии . Этот метод предоставляет ценную информацию о широком спектре научных и технологических приложений, включая химическую агрегацию, адсорбцию полимеров и поверхностно-активных веществ , структуру тонкопленочных магнитных систем, биологические мембраны и т. д.
Нейтронная рефлектометрия возникла как новое направление в 1980-х годах после открытия гигантского магнитосопротивления в антиферромагнитно -связанных многослойных пленках. [1]
Этот метод включает в себя наведение высококоллимированного пучка нейтронов на чрезвычайно плоскую поверхность и измерение интенсивности отраженного излучения в зависимости от 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 производится в режиме зеркального отражения , когда угол падающего луча равен углу отраженного луча. Отражение обычно описывается с помощью вектора передачи импульса , обозначаемого , 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 -компоненту . Типичный график нейтронной рефлектометрии отображает отраженную интенсивность (относительно падающего луча) как функцию вектора рассеяния:
где – длина волны нейтрона , – угол падения. Для расчета зеркального сигнала, возникающего на границе раздела, можно использовать формализм матрицы Абелеса или рекурсию Паррата.
Незеркальная рефлектометрия вызывает диффузное рассеяние и включает передачу импульса внутри слоя и используется для определения латеральных корреляций внутри слоев, например, возникающих из-за магнитных доменов или коррелированной шероховатости в плоскости.
Длина волны нейтронов, используемых для отражательной способности, обычно составляет порядка от 0,2 до 1 нм (от 2 до 10 Å ). Этот метод требует источника 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 из разных ядер (по сравнению с электронной плотностью, которая измеряется при рассеянии рентгеновских лучей). Это позволяет методу различать различные изотопы элементов . Нейтронная рефлектометрия измеряет плотность длины рассеяния нейтронов (SLD) и может использоваться для точного расчета плотности материала , если известен атомный состав.
Хотя другие методы отражения (в частности, оптическое отражение, рентгеновская рефлектометрия) работают на тех же общих принципах, нейтронные измерения имеют несколько существенных преимуществ. В частности, поскольку этот метод исследует ядерный контраст, а не электронную плотность, он более чувствителен для измерения некоторых элементов, особенно более легких элементов ( водорода , углерода , азота , кислорода и т. д.). Чувствительность к изотопам также позволяет значительно (и выборочно) повысить контрастность некоторых интересующих систем с помощью изотопного замещения, а несколько экспериментов, которые различаются только изотопным замещением, можно использовать для решения фазовой проблемы, общей для методов рассеяния. Наконец, нейтроны обладают высокой проникающей способностью и обычно не вызывают возмущений, что обеспечивает большую гибкость в среде отбора проб и использование деликатных материалов проб (например, биологических образцов). Напротив, рентгеновское воздействие может повредить некоторые материалы, а лазерное излучение 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. Интерферометрия двойной поляризации - это один из оптических методов, который дает результаты, аналогичные нейтронной рефлектометрии при сопоставимом разрешении, хотя лежащая в его основе математическая модель несколько проще, т.е. 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, а также 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, которое можно измерить (и, следовательно, разрешение измерения).
