Нейтронная рефлектометрия — это метод нейтронной дифракции для измерения структуры тонких пленок , аналогичный часто дополняющим методам рентгеновской рефлектометрии и эллипсометрии . Метод предоставляет ценную информацию по широкому спектру научных и технологических приложений, включая химическую агрегацию, адсорбцию полимеров и поверхностно-активных веществ , структуру тонкопленочных магнитных систем, биологических мембран и т. д. Он стал широко распространенным методом в реакторах и источниках расщепления с широким спектром доступного программного обеспечения для подгонки и стандартизированных форматов данных. [1]
Нейтронная рефлектометрия возникла как новое направление в 1980-х годах после открытия гигантского магнитосопротивления в антиферромагнитно -связанных многослойных пленках. [2]
Метод включает в себя освещение высококоллимированным пучком нейтронов чрезвычайно плоской поверхности и измерение интенсивности отраженного излучения как функции угла или длины волны нейтрона. 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 , где угол падающего луча равен углу отраженного луча. Отражение обычно описывается в терминах вектора передачи импульса , обозначаемого , который описывает изменение импульса нейтрона после отражения от материала. Традиционно 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 , а — угол падения. Матричный формализм Абелеса или рекурсия Паррата могут быть использованы для расчета зеркального сигнала, возникающего из интерфейса.
Незеркальная рефлектометрия приводит к диффузному рассеянию и включает передачу импульса внутри слоя, а также используется для определения латеральных корреляций внутри слоев, например, возникающих из-за магнитных доменов или коррелированной шероховатости в плоскости.
Длина волны нейтронов, используемых для отражения, обычно составляет порядка 0,2–1 нм (2–10 Å ). Для этой методики требуется источник нейтронов , который может быть либо исследовательским реактором , либо источником расщепления (на основе ускорителя частиц ). Как и все методики рассеяния нейтронов , нейтронная рефлектометрия чувствительна к контрасту, возникающему из-за различных ядер (по сравнению с электронной плотностью, которая измеряется при рассеянии рентгеновских лучей ). Это позволяет методике 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 некоторые величины, такие как SLD и толщина тонких пленок, можно оценить по краю полного отражения и угловой / q ширине интерференционных полос, в общем случае необходимо программное обеспечение для подгонки, чтобы извлечь полную информацию, включая шероховатости или множественные толщины из кривой нейтронного отражения. Обзор программного обеспечения для подгонки можно найти по адресу: [3] .
Хотя другие методы отражения (в частности, оптическое отражение, рентгеновская рефлектометрия) работают с использованием тех же общих принципов, нейтронные измерения имеют ряд 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) усиливать контраст для некоторых интересующих систем с использованием изотопного замещения, и для решения фазовой проблемы, которая является общей для методов рассеяния, можно использовать несколько экспериментов, которые отличаются только изотопным замещением. Наконец, нейтроны обладают высокой проникающей способностью и, как правило, не вызывают возмущений: что обеспечивает большую гибкость в средах образцов и использование деликатных материалов образцов (например, биологических образцов). Напротив, рентгеновское облучение может повредить некоторые материалы, а лазерный свет может модифицировать некоторые материалы (например, фоторезисты ). Кроме того, оптические методы могут включать неоднозначность из-за оптической анизотропии ( двойное лучепреломление ), которую могут разрешить дополнительные нейтронные измерения. Двойная поляризационная интерферометрия является одним из оптических методов, который обеспечивает аналогичные нейтронной рефлектометрии результаты при сопоставимом разрешении, хотя лежащая в основе математическая модель несколько проще, т. е. она может вывести только толщину (или двойное лучепреломление ) для однородной плотности слоя.
Недостатки нейтронной рефлектометрии включают более высокую стоимость необходимой инфраструктуры, тот факт, что некоторые материалы могут стать радиоактивными при воздействии пучка, и нечувствительность к химическому состоянию составляющих атомов. Более того, относительно более низкий поток и более высокий фон метода (по сравнению с рентгеновской рефлектометрией) ограничивают максимальное значение, которое может быть зондировано (и, следовательно, разрешение измерения).
