14_Neutronen_Reflektometrie_Sina_Mayr

Report
Neutronen
Reflektometrie
Proseminar:
Experimentelle Methoden
der Festkörperphysik
Sina Mayr
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Reflektometrie: Wozu?
• Reflektometrie:
• Oberflächen
• Grenzflächen
• Warum Neutronen?
• Streuquerschnitt „zufällig“
• Isotope
• magnetisches Moment
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Reflektivität von Neutronen
Spekuläre
Reflexion:
Reflektivität von Neutronen: Totalreflexion
Neutronen werden
totalreflektiert, wenn
Streulängendichte
Nukleare Streulänge
Beschreibt Stärke und Art
der Wechselwirkung eines
Neutrons mit atomaren
Strukturen
Reflektivität von Neutronen: Reflexionskurve
Totalreflexion
Kritischer
Impulsübertrag:
Reflektivität an mehreren Schichten: Bragg-Gesetz
http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_crystallography
Reflektivität an mehreren Schichten: Reflexionskurven
Interferenz führt
zur Überlagerung
der reflektierten
Strahlen:
KiessigOszillationen
Reflektivität an mehreren Schichten: Parratt- Algorithmus
• Substrat
reflektiert nicht
• Rekursive
Bestimmung
aller
Koeffizienten
Reflektivität an mehreren Schichten: Parratt- Algorithmus
Screenshot
eines
FittingProgramms
(Parratt32)
Isotopenempfindlichkeit
Polarisierte Neutronen
Neutronen haben ein
magnetisches Moment!
Wechselwirkung mit
Magnetfeld von
ungepaarten Elektronen
Zusätzliches
Potential
Magnetische
Streulänge p
Fe
Si
Polarisierte Neutronen: Reflexionskurven
Aufspaltung der Reflexionskurven bei
magnetischen Materialien
Diffuse / nicht spekuläre Streuung
http://www.asdi.com/images/image-forcontent/reflection1-jpg.aspx
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• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Aufbau eines Reflektometers: vertikale Probengeometrie
http://www.bnc.hu/?q=node/20
Monochromatisches Reflektometer
GINA, BNC (Ungarn)
λ: konstant
Θ: variabel
Aufbau eines Reflektometers: horizontale Probengeometrie
http://www.psi.ch/sinq/amor/description
Schematischer Aufbau des FlugzeitReflektometers AMOR am PSI (Schweiz)
λ: variabel
Θ: konstant
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Polymer Interdiffusion: Schematische Darstellung
t + Δt
t=0
Polystyrolketten:
zeitabhängige Interdiffusion
Verständnis von
Polymergrenzflächen
grundlegend für Anwendungen
J.S.Higgins, Polymers and
Neutron Scattering, Vortrag, 2012
Polymer Interdiffusion: Reflektivität
Vergleich
zwischen
Reflexionskurven nach
verschiedenen
Zeiten
Sichtbar dank
Deuterierung!
M. Stamm et al. Initial Stages of Polymer Interdiffusion
Studied by Neutron Reflectometry.(1991)
Fe/Cr Heterostrukturen: Versuchsaufbau
Strukturelle und
magnetische
Eigenschaften können
sich während des
Beschichtungsprozesses
ändern
In-situ
Messungen
In-situ Sputterkammer
installiert an AMOR
Fe/Cr Heterostrukturen: Reflektivitätskurven
+Fe
+Cr
+Fe
+Cr
+Fe/Cr
Spin up
Spin down
Fe/Cr Heterostrukturen: Ergebnisse
Fe on Cu/Si grown in 28 steps on AMOR in Nov. 2013
10
• „Splitting“
• Magnetischer Peak
8
6
Schichtdicke Fe [nm]
Dichte Fe [g/cm3]
(Literatur: 7,874)
nukleare Streulänge [fm]
(Literatur: 9,45)
magnetisches Moment
pro Atom [B] (Literatur: 2,12)
4
RMS Rauigkeit [nm]
2
0
0
5
10
15
20
25
Weitere
Auswertung
notwendig
30
Beschichtungsschritt
In-situ
Messung
funktioniert
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Zusammenfassung
• Spekuläre Reflexion:
• Impulsübertrag:
• Bei mehreren Schichten Überlagerungen analog zu
Bragg-Gesetz: Kiessig-Oszillationen
• Reflektometrie ist effektive Methode zur Untersuchung
von Grenzflächen, Oberflächen, dünnen Schichten
• Ausnutzung von spezifischen Eigenschaften der
Neutronen: Isotopenempfindlichkeit, magnetisches
Moment
Quellen
• M.V.Avdeev, V.I.Bodnarchuk: Neutron Reflectometry: Experimental
Aspects, Vortrag, 2014
• W. Kreuzpaintner: Introduction to X-Ray and Neutron Reflectometry
Vortrag, 2011
• M. Stamm et al. Initial Stages of Polymer Interdiffusion Studied by Neutron
Reflectometry. Europhys. Lett., 14 (5), pp. 451-456 (1991)
• M. Tolan: X-Ray Scattering from Soft-Matter Thin Films: Materials Science
and Basic Research. 1998
• http://nmi3.eu/neutron-research/techniques-for-/structural-research/thin-
film-and-layered-structures.html

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