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

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• 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

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• 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

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• 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