научная статья по теме МНОГОСЛОЙНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ “ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ УГЛЕРОДА” 4.4–5 НМ Химия

Текст научной статьи на тему «МНОГОСЛОЙНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ “ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ УГЛЕРОДА” 4.4–5 НМ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 3, с. 497-500

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 621.793.18

МНОГОСЛОЙНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ "ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ УГЛЕРОДА" 4.4-5 НМ

© 2013 г. С. С. Андреев , М. М. Барышева, Ю. А. Вайнер, П. К. Гайкович, Д. Е. Парьев,

А. Е. Пестов, Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало

Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород E-mail: Pariev@ipmras.ru Поступила в редакцию 17.04.2012 г.

Изготовлены и исследованы многослойные рентгеновские зеркала на основе Cr/C, предназначенные для отражения излучения в области "углеродного окна" (X = 4.4—5 нм). Структуры получены методом магнетронного распыления при различных параметрах осаждения. При нормальном падении достигнуты рекордные коэффициенты отражения более 15%. Методом рефлектометрии на длинах волн 0.154 и 4.47 нм изучены структурные параметры зеркал.

DOI: 10.7868/S002347611303003X

ВВЕДЕНИЕ

"Углеродное окно", лежащее в интервале от 4.4 нм (край поглощения углерода) до 5 нм, занимает особое место в диапазоне мягкого рентгеновского излучения. Это связано с тем, что угле-родосодержащие материалы, к числу которых относятся биологические и медицинские объекты, полимеры, углеродные волокна, конгломераты нанотрубок и др., наиболее прозрачны для мягкого рентгеновского излучения в этой части спектра, что обусловлено ^-скачком поглощения углерода на длине волны 4.37 нм. Как показано на рис. 1, разница в коэффициентах поглощения клеточных структур и веществ (органелл) в "углеродном окне" в 5—6 раз больше, чем в "водном окне" [1]. Такая разница в величине поглощения позволяет исследовать различные органические объекты, находящиеся в парафине, и получать рентгенооптические изображения веществ и биологических структур приемлемого контраста. Развитие рентгеновской микроскопии "углеродного окна" связано с созданием эффективной рентгенооптической системы, которая в наибольшей степени определяется пиковыми и интегральными коэффициентами отражения многослойных интерференционных структур (МИС). Для задач рентгеновской диагностики различных объектов важным является и спектральное разрешение многослойных дисперсионных элементов. В [2] изучались характеристики зеркал на основе Со/С. Сообщается о достижении коэффициентов отражения в окрестности длины волны 4.47 нм до 14.8% при спектральном разрешении Х/ДХ « 217.

Величина коэффициента отражения многослойных зеркал особенно важна в случае применения их в многозеркальных схемах. Например, оптическая схема рентгеновского микроскопа да-

же в простейшем случае состоит из трех зеркал (два зеркала объектива и коллектор). При такой оптической схеме даже для рекордных значений коэффициента отражения зеркал, Я ~ 0.15, энергетическая эффективность микроскопа составляет малые доли процента. В связи с этим поиск новых материалов для изготовления многослойных структур, которые обеспечат более высокие коэффициенты отражения зеркал нормального падения, является крайне актуальным.

На рис. 2 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициентов отражения наиболее перспективных материалов в окрестности длины волны 4.7 нм. Оптические константы материалов брались из [3]. Из рисунка видно, что близкими по расчетному пиковому коэффициен-

Глубина проникновения, мкм 10

8

6

4

|Г 1 1 1 -ДНК

L -протеины

1

л \ 1 -■ — • вода

\ 1 -■ хроматин

[ -- - - нуклеосомы

\ 1 - углерод

ч парафин

д\ п \ \ \

|\\ \ 1 ч

\\

Vi Tt \ 1 1 ^^ 1 1 *

1 2 3 4 5 6 7 8

Длина волны,нм

Рис. 1. Спектральная зависимость глубины проникновения мягкого рентгеновского излучения для различных органических соединений и воды [1].

2

4.44

4.46 4.48

Длина волны, нм

4.50

Рис. 2. Теоретически рассчитанный коэффициент отражения структур Cr/C, Co/C, V/C, W/C, Ni/C, Fe/C.

ту отражения к наиболее оптимальным Со/С зеркалам являются многослойные зеркала на основе №/С и Сг/С. Как правило, для нанесения подобных многослойных покрытий применяется технология магнетронного распыления. Поэтому, учитывая, что хром в отличие от кобальта и никеля является немагнитным материалом, с точки зрения технологичности наиболее предпочтительной парой материалов является Сг/С. Ранее отмечалось [4, 5], что многослойные структуры на основе Сг/С отличаются высоким качеством межслойных границ. В настоящей работе исследованы Сг/С МИС нормального падения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Изготовление многослойных рентгеновских зеркал проводилось на установке магнетронного типа. Два магнетрона с соответствующими плоскими мишенями из различных материалов позволяют напылять двухкомпонентные структуры на подложки диаметром до 100 мм. Распыление мишеней осуществляется в среде аргона при давлении ~0.1 Па. Давление остаточных газов в рабочем объеме перед началом процесса было не более 10-4 Па. Структурные параметры (величина

Таблица 1. Рентгеновские характеристики Сг/С многослойного зеркала, образец ^10

X, нм R, % 9, град А9, град

0.154 45.6 1.963 0.013 151

4.47 15.4 81.62 2.5 157

периода, соотношение толщин слоев в периоде) образцов определялись методом малоугловой рентгеновской дифрактометрии с использованием дифрактометра Philips X'Pert PRO по измеренным угловым зависимостям коэффициентов отражения МИС на длине волны X = 0.154 нм. Измерения в мягком рентгеновском диапазоне проводились на длине волны X = 4.47 нм на рефлектометре с решеточным спектрометром-мо-нохроматором [4, 6]. Спектральная ширина зон-дового пучка измерялась по методу, описанному в [7], и составляла 0.02 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С целью определения оптимальных параметров для достижения лучших отражательных характеристик проведено моделирование отражательных характеристик Сг/С МИС нормального падения 9 = 85° для длины волны 4.47 нм. Получены следующие параметры для "идеальной структуры" (без межслойных шероховатостей): число периодов N = 378 (коэффициент отражения равен 0.95 от максимального), период d = = 2.248 нм, доля хрома в периоде в = dCг/d = 0.25, коэффициент отражения Я, = 54.5%, спектральная селективность S = 249, интегральный коэффициент отражения = 0.0115 нм.

Для исследований были изготовлены образцы Сг/С МИС с периодом d = 2.27 нм и числом би-слоев N = 200. В табл. 1 приведены типичные отражательные характеристики изготовленных структур (образец .010). Как видно, коэффициент отражения на длине волны X = 4.47 нм при угле

МНОГОСЛОЙНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ

499

Таблица 2. Сравнение изготовленных многослойных зеркал для "углеродного окна" с лучшими аналогами

Структура d, нм Угол, град X, нм R, % Место изготовления

Cr/C 2.23 81.6 4.47 15.4 ИФМ РАН (2011 г.)

Co/C 2.29 85 4.56 14.8 ФИАН/Харьковский политех-

нический институт [9]

Cr/C 2.25 85 4.47 11.5 ИФМ РАН [8]

V/C 2.3 80 4.6 7.9 Osmic, Inc. [8]

Cr/C 2.4 85 4.8 7 LBNL [8]

W/C 2.3 87 4.5 5.9 Paul Scherrer Institut [8]

100

10-

10-

10-

10-

10-

10-

10-

10-

10-

(a)

10-

10-

10-

10-

1.0 1.5 Угол, град

(б)

- Эксперимент

- Теория

3.85

3.90 Угол, град

(в)

3.95

Эксперимент Теория

скольжения 9 = 81.6° и спектральной селективности S = 157 составил Я = 15.4%.

Сравнение отражательных характеристик изготовленных зеркал с лучшими аналогами показано в табл. 2. Данные по коэффициентам отражения взяты из [8, 9]. Из таблицы видно, что изготовленные в настоящей работе Сг/С зеркала имеют рекордные коэффициенты отражения. Более корректное сравнение коэффициентов отражения Со/С- и Сг/С-зеркал с учетом некоторого (до ~3%) различия величины периодов показывает, что коэффициент отражения Сг/С МИС, изготовленной в данной работе, примерно на 10% выше, что при применении в трехзеркальной оптической системе дает выигрыш в эффективности на -30%.

Экспериментальные значения коэффициентов отражения оказались существенно меньше теоретических. Результаты подгонки (рис. 3) указывают на то, что последнее можно объяснить как отличием плотности слоев от табличных значений, так и влиянием межслойных шероховатостей, оказывающих заметное действие именно в короткопериодных структурах. Подгонка выполнялась со следующими параметрами МИС: период d = 2.2737 нм, доля толщины слоя хрома в периоде dCг/d = 0.475, шероховатость границы Сг—С стСг—С = 0.301 нм, шероховатость границы С—Сг ^с—сг = 0.312 нм, Рсг = 0.87рЬи1к, Рс = 1.03рАнйЬ где рШк — плотность массивного материала, N = 199. Для лучшей подгонки в верхнем периоде вместо чистого хрома включен оксид хрома Сг203. Хорошая подгонка экспериментальной кривой к теоретической в широком диапазоне углов указывает на высокую степень периодичности структур. Уширение высших брэгговских пиков свидетельствует о том, что флуктуации и детерминированный уход периода не превышают 0.1%.

5.75

5.80 5.85 Угол, град

5.90

Рис. 3. Экспериментальный и вычисленный коэффициенты отражения Сг/С-зеркала в области: критического угла и первого брэгговского пика (а), второго брэгговского пика (б) и третьего брэгговского пика при X = 0.154 нм (в).

Коэффициент отражения

Угол, град

Рис. 4. Экспериментальный и вычисленный коэффициенты отражения Сг/С-зеркала при X = 4.478 нм.

На длине волны X = 4.478 нм (рис. 4) наблюдается довольно сильное расхождение эксперимента и теории, что можно объяснить недостаточно точным знанием оптических констант углерода в области аномальной дисперсии вблизи собственного края поглощения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены и детально изучены короткопери-одные Сг/С МИС, представляющие значительный интерес для применения в высокоразрешающей рентгеновской микроскопии в "углеродном окне прозрачности" (X = 4.4—5 нм). Угловые зависимости коэффициентов отражения жесткого рентгеновского излучения (X = 0.154 нм) показали высокую степень структурного совершенства МИС. Случайные флуктуации и систематические изменения периода зеркал не превышают 0.1%. По результатам этих измерений удалось достаточно точно определить параметры "элементарной" ячейки (толщина слоев хрома 1.080 ± 0.001 нм, толщина слоев углерода 1.194 ± 0.001 нм, шероховатость границы Сг—С составляет 0.301 нм, шероховатость границы С—Сг 0.312 нм) и плотность пленок: р& = 0.87рЬи1к, Рс = 1.03рЬи1к. Отметим, что пленки

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком