рефлектометрия

РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ (от лат. reflecto - отражаю и греч. metreo - измеряю) - совокупность методов исследования плоских границ раздела сред путём анализа зеркально отражённых от изучаемой границы пучков молекул, атомов, частиц или эл--магн. излучения. Наиб. разработана нейтронная Р., поэтому в узком смысле Р.- совокупность методов изучения плоских границ раздела сред, в основе к-рых лежит зеркальное отражение пучка низкоэнергетич. нейтронов ( ), падающих под малыми углами скольжения (~10^-3-10^-2 рад) к плоскости границы. Р. разделяют по типу изучаемых объектов на Р. немагнитных и Р. магнитных сред. В первом случае используются пучки неполяризованных, во втором - поляризованных нейтронов (п о л я р и з а ц. Р.). Методами Р. изучают профиль ядерного нейтронно-оптич. потенциала (см. Нейтронная оптика)вдоль нормали к границе на глубинах до неск. тысяч ангстрем, а предметом излучения являются поверхности жидкостей, кристаллических или аморфных тел (массивные пластины, тонкие плёнки на подложках), а также внутр. границы в системах жидкость - жидкость, жидкость - твёрдое тело, плёнка - подложка. С помощью поляризац. Р. изучается поведение вектора локальной намагниченности по глубине, в частности особенности магн. свойств приповерхностной (толщиной) области ферромагнетиков или идеальных диамагнетиков - сверхпроводников. Объектами изучения в этом случае являются, как правило, массивные пластины или тонкие плёнки на подложках.

Р. получила развитие как один из методов исследований по физике конденспров. сред на импульсных источниках нейтронов. На рис. 1 и 2 показаны принципиальные схемы рефлектометров по методу времени пролёта. Полихроматич. пучок тепловых нейтронов от импульсного источника, сформированный с помощью поглощающих диафрагм (коллиматоров) 1, 2 (рис. 1), падает на поверхность или внутр. границу раздела образца 3 под углом скольжения рад [угол имеет разброс]. Зеркально отражённые нейтроны регистрируются детектором нейтронов 4 и одновременно анализируются по скорости (длине волны) с помощью электронного устройства (временного анализатора), по времени регистрации, т. с. по времени пролёта нейтроном расстояния от источника до детектора. В поляризац. рефлектометре (рис. 2) падающий пучок предварительно поляризован с помощью поляризатора нейтронов 1, а образец 6 размещён в зазоре эл--магн. системы 5 (напр., системы колец Гельмгольца), позволяющей создавать на образце магн. поле, изменять его направление н (или) величину. Эл--магн. система обеспечивает две важные ф-ции: а) воздействует магн. полем на образец; б) задаёт определ. направление вектора поляризации Р падающих нейтронов относительно поверхности образца. Последнее обеспечивается благодаря адиабатич. проведению спина нейтронов в магн. полях установки. Спец. эл--магн. устройство - спин-флиппер 4 обеспечивает изменение знака поляризации в падающем пучке. Изменение угла производится с помощью механич. устройства поворота образца. Подвижный детектор позволяет измерять как отражённый, так и падающий пучки. Разность координат детектора, соответствующих положениям максимумов прямого и отражённых пучков, позволяет определить угол с высокой точностью. Совершенствование рефлектометров идёт по пути применения однокоординатных позиционно-чувствит. детекторов нейтронов высокого разрешения ( мм), а также применения многопучкового способа облучения образца, т. е. формирования не одного, а двух или более разнесённых по углу узких пучков с раздельной регистрацией каждого из них после отражения.

Рис. 1. Схема нейтронного рефлектометра: 1, 2 - диафрагмы; 3 - образец, поверхность которого облучается узкоколлимированным пучком тепловых нейтронов п от источника; 4 - детектор, регистрирующий нейтроны, зеркально отраженные от поверхности образца, - угол скольжения. Типичное расстояние от диафрагмы 1 до детектора 6-10 м.

Рис. 2. Схема поляризационного нейтронного рефлектометра: 1 - поляризатор полихроматических тепловых нейтронов; 2 - диафрагмы; 3 - постоянные магниты для адиабатической проводки спина нейтрона; 4 - спин-флиппер, обеспечивающий при включении реверс вектора поляризации Р относительно ведущего магнитного поля; 5 - система колец Гельмгольца, задающая направление вектора Н относительно плоскости образца; 6 - образец; 7 - детектор, регистрирующий зеркально отражённый пучок.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента отражения

от поверхностей одного и того же образца стекла (пластина), получаемого разливом на жидком олове; 1, 2 - коэффициенты отражения от поверхностей, граничащих с оловом и воздухом соответственно. На вставках: пространственная зависимость потенциалов U(z), обеспечивающих подгонку кривых . Заштрихованы области шероховатости.

В Р. результаты измерения представляются в виде коэф. отражения (рис. 3), связанного с интенсивностями падающего I₀(k_z) и зеркально отражённого I(k_z)пучков соотношением

Здесь k_z - нормальная к границе раздела компонента волнового вектора падающего нейтрона k (k_z =). Теоретич. интерпретация ф-ции R(k_z)основывается на решении стационарной квантовомеханич. задачи об отражении скалярной плоской нейтронной волны от границы одномерного потенциала [ эВ - типичное значение; N(z), b(z) - локальные (средние по плоскости ху)плотности рассеивающих ядер и их нейтронных длин рассеяния]. Т. о., форма потенциала U(z)определяется пространственными (вдоль г) особенностями плотности и состава среды на микроскопич. уровне.

Причины, приводящие к размытию потенциала U(z)в приграничных областях (~100), в основном следующие: на поверхности - микрошероховатость, отличие поверхностной плотности от объёмной, примеси; на внутр. межслойных границах, кроме перечисленных,- взаимная диффузия.

Теоретич. значение R(k_z)получают методами численного решения стационарного Шрёдингера уравнения с модельным потенциалом U(z). Для модели полубесконечной среды (массивная пластина) в области, где применимо борновское приближение ,задача имеет аналитическое решение:

где R₀(k_z) - козф. отражения от потенциала с абсолютно резкой границей:

а - компонента волнового вектора нейтрона в среде; m - масса нейтрона. Если распределение градиента потенциала является гауссовым (см. Гаусса распределение;)

(случай шероховатой границы), то при всех коэф. R(k_z)с хорошим приближением описывается ф-лой

Нижние значения параметра шероховатости s, извлекаемые из эксперим. значений R(k_z), лежат в области неск. ангстрем. При отражении нейтронов от тонких плёнок, имеющих потенциал, отличный от потенциала подложки, зависимость R от k_z приобретает осциллирующий характер (рис. 4) вследствие интерференции волн, отражённых от поверхности и от границы с подложкой. В результате средняя по площади толщина плёнки в неск. тысяч определяется с точностью в неск.

Рис. 4. Экспериментально полученная зависимость коэффициента отражения от поверхности тонкой золотой плёнки, полученной термическим напылением на поверхность стекла. На вставке: форма потенциала U(z), обеспечивающего подгонку кривой

Ферромагн. среды обладают способностью поляризовать тепловые нейтроны, зеркально отражённые от их поверхности. Это объясняется тем, что потенциал взаимодействия магн. момента нейтрона с вектором локальной намагниченности образца М имеет, как правило, значения, сравнимые с нейтронно-оптическим ядерным потенциалом U. Количественной мерой процесса поляризации пучка при зеркальном отражении служит вектор поляризующей способности среды Q(k_z), к-рый задаёт величину и направление поляризации, возникающей в отражённом пучке. Между вектором Q(k_z)и вектором M_s(z)[проекция вектора M(z)на плоскость ху] имеется взаимно однозначное соответствие, на основе к-рого из Q(k_z)устанавливают распределение M_s(z). Это позволяет применять поляризац. Р. в качестве метода изучения структуры намагниченности тонких ферромагн. плёнок с неколлинеарным по глубине осн. состоянием либо возникающим из коллинеарного под действием внеш. магн. поля. Эта возможность - уникальное свойство нейтронной поляризац. Р., поскольку др. методы исследования (электронная микроскопия и методы на основе Керра эффекта)не позволяют для таких структур получать полной информации.

В поляризац. Р. последовательно измеряют интенсивности отражённых пучков: положительно поляризованного (спин-флиппер выключен) и отрицательно поляризованного (спин-флиппер включён). Знак поляризации пучка задаётся относительно вектора Н ведущего магн. поля установки. Направление Н в месте расположения образца определяет пространственное направление вектора Р поляризации падающего пучка. Величины и связаны со скалярным произведением векторов Р и Q(k_z)соотношением

Т.о., для определения Q_xyz компонент вектора Q(k_z)конкретного образца достаточно измерить для направлений Р вдоль х, у, z осей соответственно.

Поляризац. Р. используют как прямой метод изучения распределения по глубине диамагн. момента сверхпроводящего образца в приповерхностной области с целью определения лондоновской глубины проникновения магн. поля в сверхпроводник, находящийся в мейснеровской фазе. Формализм описания процесса отражения, служащий для ферромагнетиков, легко переносится на сверхпроводники - идеальные диамагнетики. Для изучения обычных диамагнетиков Р. не применяется.

Лит.: 1) F е 1 с h e r G. Р. и др., Polarized neutron reflectometer. A new instrument to measure magnetic depth profiles, «Rev. Sci. Instrum.», 1987, v. 58, № 4, p. 609; 2) P e 1 с h e r G. P. и др., Investigation of magnetism at surfaces by polarized neutron reflection (invited), «J. Appl. Phys.», 1985, v. 57, JVi 8, p. 3789; 3) Penfold J., Thomas R. K., The application of the specular reflection of neutrons to the study of surface and interfaces, «J. Phys. Condens. Matter», 1990, v. 2, p. 1369; 4) К о p н e e в Д. А., Изучение неоднородно намагниченных магнитных пленок с помощью поляризованных нейтронов, «Поверхность. Физика, химия, механика», 1989, MS 2, с. 13; 5) К о р н e e в Д. А., Черненко Л. П., Нейтронная дифракционная оптика ограниченных сред со сложной магнитной структурой, препринт ОИЯИ Р 4-89-709; 6) Г а п о н о в С. В. и д р., Определение глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводящую тонкую монокристаллическую пленку YBa₂Cu₃O₇ методом отражения поляризованных нейтронов, «Письма в ЖЭТФ», 1989, т. 49, в. 5, с. 277. Д. А. Корнеев.

   <<      Предметный указатель      >>