Малоугловое рассеяние скользящего падения
Малоугловое рассеяние скользящего падения ( GISAS ) — это метод рассеяния, используемый для изучения наноструктурированных поверхностей и тонких пленок. Рассеянный зонд представляет собой либо фотоны ( малоугловое рассеяние рентгеновских лучей скользящего падения , GISAXS ), либо нейтроны ( малоугловое рассеяние нейтронов скользящего падения , GISANS ). GISAS сочетает в себе доступные масштабы малоуглового рассеяния (SAS: SAXS или SANS ) и поверхностную чувствительность дифракции скользящего падения (GID).
Приложения
[ редактировать ]Типичным применением GISAS является определение характеристик самосборки и самоорганизации на наноуровне в тонких пленках. Системы, изучаемые GISAS, включают массивы квантовых точек, [1] нестабильность роста, образовавшаяся во время роста in-situ, [2] самоорганизующиеся наноструктуры в тонких пленках блок-сополимеров , [3] кремнеземные мезофазы, [4] [5] и наночастицы . [6] [7]
GISAXS была представлена Левином и Коэном. [8] изучить вымачивание золота, нанесенного на поверхность стекла. Техника была развита Нодоном. [9] и его коллеги для изучения металлических агломератов на поверхностях и в подземных границах раздела. [10] С появлением нанонауки быстро развивались и другие приложения, сначала в твердых веществах, таких как определение характеристик квантовых точек на поверхностях полупроводников и определение характеристик металлических отложений на оксидных поверхностях in-situ. Вскоре за этим последовали системы мягких веществ , такие как ультратонкие полимерные пленки, [11] полимерные смеси, пленки блок-сополимеров и другие самоорганизующиеся наноструктурированные тонкие пленки, которые стали незаменимы для нанонауки и технологий. Будущие проблемы GISAS могут заключаться в биологических приложениях, таких как белки , пептиды или вирусы, прикрепленные к поверхностям или в липидных слоях.
Интерпретация
[ редактировать ]В качестве гибридного метода GISAS сочетает в себе концепции малоуглового рассеяния на пропускание (SAS), дифракции скользящего падения (GID) и диффузной рефлектометрии. Из SAS он использует форм-факторы и структурные факторы. Из GID он использует геометрию рассеяния, близкую к критическим углам подложки и пленки, и двумерный характер рассеяния, приводящий к возникновению диффузных стержней с интенсивностью рассеяния, перпендикулярных поверхности. С диффузной (незеркальной) рефлектометрией она разделяет такие явления, как пик Йонеды/Виньярда при критическом угле образца, и теорию рассеяния, борновское приближение искаженных волн (DWBA). [12] [13] [14] Однако, хотя диффузное отражение остается ограниченным плоскостью падения (плоскостью, заданной падающим лучом и нормалью к поверхности), GISAS исследует все рассеяние от поверхности во всех направлениях, обычно используя зональный детектор. Таким образом, GISAS получает доступ к более широкому спектру латеральных и вертикальных структур и, в частности, чувствительна к морфологии и предпочтительному расположению наноразмерных объектов на поверхности или внутри тонкой пленки.
Как особое следствие DWBA, в случае исследований тонких пленок всегда необходимо учитывать преломление рентгеновских лучей или нейтронов. [15] [16] из-за того, что углы рассеяния малы, часто менее 1 град. Поправка за рефракцию применяется к перпендикулярной составляющей вектора рассеяния по отношению к подложке, тогда как параллельная составляющая не затрагивается. Таким образом, параллельное рассеяние часто можно интерпретировать в рамках кинематической теории SAS, тогда как поправки за рефракцию применяются к рассеянию вдоль перпендикулярных разрезов изображения рассеяния, например, вдоль рассеивающего стержня.
При интерпретации изображений GISAS некоторые сложности возникают при рассеянии от пленок с низким Z, например, от органических материалов на кремниевых пластинах, когда угол падения находится между критическими углами пленки и подложки. В этом случае отраженный луч от подложки имеет такую же силу, что и падающий луч, и, таким образом, рассеяние отраженного луча от пленочной структуры может привести к удвоению характеристик рассеяния в перпендикулярном направлении. Это, а также интерференция между рассеянием прямого и отраженного пучка может быть полностью объяснена теорией рассеяния DWBA. [16]
Эти осложнения часто более чем компенсируются тем фактом, что динамическое увеличение интенсивности рассеяния является значительным. В сочетании с простой геометрией рассеяния, когда вся необходимая информация содержится в одном изображении рассеяния, облегчаются эксперименты на месте и в реальном времени. В частности, самоорганизация во время роста MBE. [2] и процессы реорганизации в пленках блок-сополимеров под воздействием паров растворителя [3] были охарактеризованы в соответствующих временных масштабах от секунд до минут. В конечном итоге временное разрешение ограничено потоком рентгеновского излучения на образцах, необходимым для получения изображения, и временем считывания площадного детектора.
Экспериментальная практика
[ редактировать ]Выделенные или частично выделенные каналы GISAXS существуют в большинстве источников синхротронного света (например, Advanced Light Source (ALS), австралийский синхротрон, APS , ELETTRA (Италия), Diamond (Великобритания), ESRF , National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), Источник света Пхохан (Южная Корея), SOLEIL (Франция), Шанхайский синхротрон (Китай), SSRL
На объектах нейтронных исследований GISANS все чаще используется, как правило, на малоугловых приборах (SANS) или на рефлектометрах .
GISAS не требует какой-либо специальной подготовки образцов, кроме методов нанесения тонких пленок. Толщина пленок может варьироваться от нескольких нм до нескольких 100 нм, и такие тонкие пленки по-прежнему полностью проникают рентгеновским лучом. Поверхность пленки, ее внутренняя часть, а также граница раздела подложка-пленка доступны. Изменяя угол падения, можно определить различные вклады.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мецгер, TH; Кегель, И.; Паниаго, Р.; Лорке, А.; Пейсл, Дж.; и др. (1998). «Форма, размер, деформация и корреляции в системах квантовых точек, изученных методами рассеяния рентгеновских лучей скользящего падения». Тонкие твердые пленки . 336 (1–2). Эльзевир Б.В.: 1–8. Бибкод : 1998TSF...336....1M . дои : 10.1016/s0040-6090(98)01290-5 . ISSN 0040-6090 .
- ^ Перейти обратно: а б Рено, Г.; Лаццари, Реми; Ревенант, Кристина; Барбье, Антуан; Нобле, Мэрион; и др. (30 мая 2003 г.). «Мониторинг растущих наночастиц в реальном времени». Наука . 300 (5624). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1416–1419. Бибкод : 2003Sci...300.1416R . дои : 10.1126/science.1082146 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12775836 . S2CID 7244337 .
- ^ Перейти обратно: а б Смилгиес, Детлеф-М.; Буш, Питер; Пападакис, Кристин М.; Поссельт, Дорте (2002). «Характеристика тонких полимерных пленок с малоугловым рассеянием рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS)». Новости синхротронного излучения . 15 (5). Информа UK Limited: 35–42. дои : 10.1080/08940880208602975 . ISSN 0894-0886 . S2CID 122797468 .
- ^ Жибо, А.; Гроссо, Д.; Смарсли, Б.; Батист, А.; Бардо, Дж. Ф.; Бабоно, Ф.; Доши, Д.А.; Чен, З.; Бринкер, К. Джеффри; Санчес, К. (2003). «Самосборка мезофаз кремнеземного поверхностно-активного вещества, контролируемая испарением». Журнал физической химии Б. 107 (25). Американское химическое общество (ACS): 6114–6118. дои : 10.1021/jp027612l . ISSN 1520-6106 .
- ^ Чаттерджи, П.; Хазра, С.; Аменич, Х. (2012). «Эффект подложки и сушки на форму и упорядочение мицелл внутри мезоструктурированных пленок ЦТАБ – кремнезем». Мягкая материя . 8 (10). Королевское химическое общество (RSC): 2956. Бибкод : 2012SMat....8.2956C . дои : 10.1039/c2sm06982b . ISSN 1744-683X . S2CID 98053328 .
- ^ Хазра, С.; Жибо, А.; Селла, К. (19 июля 2004 г.). «Настраиваемое поглощение тонких пленок нанокермета Au–Al 2 O 3 и ее морфология». Письма по прикладной физике . 85 (3). Издательство АИП: 395–397. Бибкод : 2004ApPhL..85..395H . дои : 10.1063/1.1774250 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Сондерс, Аарон Э.; Гезельбаш, Али; Смилгиес, Детлеф-М.; Сигман, Майкл Б.; Коргель, Брайан А. (2006). «Столбчатая самосборка коллоидных нанодисков». Нано-буквы . 6 (12). Американское химическое общество (ACS): 2959–2963. Бибкод : 2006NanoL...6.2959S . дои : 10.1021/nl062419e . ISSN 1530-6984 . ПМИД 17163739 .
- ^ Левин, младший; Коэн, Дж.Б.; Чунг, Ю.В.; Георгопулос, П. (1 декабря 1989 г.). «Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей скользящего падения: новый инструмент для изучения роста тонких пленок». Журнал прикладной кристаллографии . 22 (6). Международный союз кристаллографии (IUCr): 528–532. дои : 10.1107/s002188988900717x . ISSN 0021-8898 .
- ^ А. Нодон в Х. Брумбергере (ред.): «Современные аспекты малоуглового рассеяния», (Kluwer Academic Publishers, Амстердам, 1995), стр. 191.
- ^ Хазра, С; Жибо, А; Дезерт, А; Селла, К; Наудон, А (2000). «Морфология тонких пленок нанокермета: исследование рассеяния рентгеновских лучей». Физика Б: Конденсированное вещество . 283 (1–3). Эльзевир Б.В.: 97–102. Бибкод : 2000PhyB..283...97H . дои : 10.1016/s0921-4526(99)01899-2 . ISSN 0921-4526 .
- ^ Гутманн, Дж.С.; Мюллер-Бушбаум, П.; Шуберт, Д.В.; Стрибек, Н.; Смилгис, Д.; Штамм, М. (2000). «Корреляция шероховатости в ультратонких пленках из полимерных смесей». Физика Б: Конденсированное вещество . 283 (1–3). Эльзевир Б.В.: 40–44. Бибкод : 2000PhyB..283...40G . дои : 10.1016/s0921-4526(99)01888-8 . ISSN 0921-4526 . (Материалы SXNS–6)
- ^ Синха, СК; Сирота, Е.Б.; Гарофф, С. ; Стэнли, HB (1 августа 1988 г.). «Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов на шероховатых поверхностях». Физический обзор B . 38 (4). Американское физическое общество (APS): 2297–2311. Бибкод : 1988PhRvB..38.2297S . дои : 10.1103/physrevb.38.2297 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9946532 .
- ^ Раушер, М.; Салдитт, Т.; Спон, Х. (15 декабря 1995 г.). «Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении: сечение в борновском приближении искаженных волн». Физический обзор B . 52 (23). Американское физическое общество (APS): 16855–16863. Бибкод : 1995PhRvB..5216855R . дои : 10.1103/physrevb.52.16855 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9981092 .
- ^ Лаццари, Реми (18 июля 2002 г.). «IsGISAXS: программа для анализа малоуглового рентгеновского рассеяния на поддерживаемых островах». Журнал прикладной кристаллографии . 35 (4). Международный союз кристаллографии (IUCr): 406–421. дои : 10.1107/s0021889802006088 . ISSN 0021-8898 .
- ^ Ли, Пёнду; Парк, Инсун; Юн, Джинхван; Пак, Суджин; Ким, Жеан; Ким, Кван Ву; Чанг, Тайхён; Ри, Мунхор (2005). «Структурный анализ тонких пленок блок-сополимеров с малоугловым рентгеновским рассеянием скользящего падения». Макромолекулы . 38 (10). Американское химическое общество (ACS): 4311–4323. Бибкод : 2005МаМол..38.4311L . дои : 10.1021/ma047562d . ISSN 0024-9297 .
- ^ Перейти обратно: а б Буш, П.; Раушер, М.; Смилгис, Д.-М.; Поссельт, Д.; Пападакис, CM (10 мая 2006 г.). «Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей скользящего падения на тонких полимерных пленках с ламеллярной структурой - сечение рассеяния в борновском приближении искаженных волн». Журнал прикладной кристаллографии . 39 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 433–442. дои : 10.1107/s0021889806012337 . ISSN 0021-8898 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Учебное пособие по GISAXS и GIWAXS от Детлефа Смилгиса — обновленная ссылка!
- Вики GISAXS Кевина Ягера
- Программное обеспечение для моделирования и подгонки isGISAXS от Реми Лаццари
- Программное обеспечение для моделирования и подгонки FitGISAXS от Дэвида Бабоно
- Программное обеспечение BornAgain для моделирования и подгонки от группы научных вычислений MLZ Garching
- HiPGISAXS Массивно-параллельный код моделирования GISAXS от LBNL