neutronen reflektometrie sina mayr proseminar: experimentelle methoden der festkörperphysik
Post on 06-Apr-2015
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Neutronen Reflektometrie
Sina Mayr
Proseminar: Experimentelle Methoden
der Festkörperphysik
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:
Kiessig-Oszillationen
Reflektivität an mehreren Schichten: Parratt- Algorithmus
• Substrat reflektiert nicht
• Rekursive Bestimmung aller Koeffizienten
Reflektivität an mehreren Schichten: Parratt- Algorithmus
Screenshot eines Fitting-Programms(Parratt32)
Isotopenempfindlichkeit
Polarisierte Neutronen
Fe Si
Neutronen haben ein magnetisches Moment!
Wechselwirkung mit Magnetfeld von ungepaarten Elektronen
Zusätzliches Potential
Magnetische Streulänge p
Polarisierte Neutronen: Reflexionskurven
Aufspaltung der Reflexionskurven bei magnetischen Materialien
Diffuse / nicht spekuläre Streuung
http://www.asdi.com/images/image-for-content/reflection1-jpg.aspx
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Aufbau eines Reflektometers: vertikale Probengeometrie
λ: konstantΘ: variabel
Monochromatisches Reflektometer GINA, BNC (Ungarn)
http://www.bnc.hu/?q=node/20
Schematischer Aufbau des Flugzeit-Reflektometers AMOR am PSI (Schweiz)
http://www.psi.ch/sinq/amor/description
Aufbau eines Reflektometers: horizontale Probengeometrie
λ: variabelΘ: konstant
Übersicht
• Reflektometrie, wozu?
• Theorie
• Funktionsweise eines Reflektometers
• Beispiele
• Zusammenfassung
Polymer Interdiffusion: Schematische Darstellung
t = 0 t + Δt
J.S.Higgins, Polymers and Neutron Scattering, Vortrag, 2012
Polystyrolketten:zeitabhängige Interdiffusion
Verständnis von Polymergrenzflächen
grundlegend für Anwendungen
Polymer Interdiffusion: Reflektivität
Vergleich zwischen Reflexions-kurven nach verschiedenen Zeiten
Sichtbar dank Deuterierung!
M. Stamm et al. Initial Stages of Polymer Interdiffusion Studied by Neutron Reflectometry.(1991)
Fe/Cr Heterostrukturen: Versuchsaufbau
In-situ Sputterkammer installiert an AMOR
Strukturelle und magnetische
Eigenschaften können sich während des
Beschichtungsprozesses ändern
In-situ Messungen
Fe/Cr Heterostrukturen: Reflektivitätskurven
Spin upSpin down
+Fe +Cr +Fe +Cr +Fe/Cr
Fe/Cr Heterostrukturen: Ergebnisse
0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
8
10
Fe on Cu/Si grown in 28 steps on AMOR in Nov. 2013
Schichtdicke Fe [nm] Dichte Fe [g/cm3]
(Literatur: 7,874) nukleare Streulänge [fm]
(Literatur: 9,45) magnetisches Moment
pro Atom [B] (Literatur: 2,12)
RMS Rauigkeit [nm]
Beschichtungsschritt
• „Splitting“ • Magnetischer Peak
In-situ Messung
funktioniert
Weitere Auswertung notwendig
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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