ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 7, с. 932-933
УДК 543.422.8
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ EXAFS-СПЕКТРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ЛОКАЛЬНОГО АТОМНОГО СТРОЕНИЯ МУЛЬТИСЛОЙНЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР
© 2009 г. Ю. А. Бабанов, Ю. А. Саламатов
Учреждение Российской академии наук Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург E-mail: babanov@imp.uran.ru; salamatov@imp.uran.ru
Рассмотрены новые возможности исследования локального атомного строения мультислойных на-ногетероструктур методом EXAFS-спектроскопии. Показано, что данный метод позволяет с хорошей точностью (—0.01 А) определять усредненные парциальные межатомные расстояния перекрывающихся координационных сфер. В качестве примера приведены результаты экспериментального исследования образца мультислойной наногетероструктуры вида (FeNi)/V.
Многослойные наногетероструктуры (также используется термин "мультислойные пленки") — пленки, состоящие из чередующейся последовательности слоев различных металлов (возможны и другие вещества); каждый слой состоит из нескольких (~10) атомных монослоев. Такие структуры выращиваются на специальных подложках методами молекулярно-лучевой эпитаксии, магне-тронного распыления или лазерного напыления.
Мультислойные металлические пленки обладают уникальными электрическими и магнитными свойствами; например, в некоторых из них наблюдали гигантский магниторезистивный эффект [1], изучение которого важно с точек зрения как фундаментальной, так и прикладной физики. Уникальные свойства мультислойных пленок во многом обусловлены их локальным атомным строением, поэтому его исследование — достаточно актуальная задача.
Один из наиболее мощных методов изучения локальной атомной структуры вещества — БХЛР8-
Я(г) 5 г
— Fe-Fe ---Fe-Ni Fe-V
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
r, A
Модельные ПКФ для центрального атома Fe.
спектроскопия. Она основана на математической обработке протяженной тонкой структуры рентгеновского поглощения (Extended X-Ray Absorption Fine Structure — EXAFS), которая представляет собой осцилляции коэффициента поглощения в широкой области (~1 кэВ) за краем поглощения. Основное уравнение метода для многокомпонентных систем имеет вид [2]:
п
X k k) = 4 пр jgj r)
f( k, r).
x exp
' 2r Л
v X (k)j
j=10
sin (2kr + 2 5 ((k) + ф j( k, r))dr.
Здесь х(к) — нормированная осциллирующая часть поглощения, выделяется из экспериментальных данных; gi( г) — искомая парциальная парная корреляционная функция (пПКФ), описывающая плотность вероятности обнаружить атом у на расстоянии г от атома г, для которого снимался спектр поглощения. Это интегральное уравнение Фредгольма 1-ого рода решается обращением интегрального оператора с использованием метода регуляризации по Тихонову [3], так как задача является неустойчивой.
В данной работе БХЛБ8-спектроскопией исследовали образец мультислойной пленки [5(Бе82№18)/6У]25 (число перед элементом обозначает количество монослоев, общий индекс — число повторений пары слоев). Образец был приготовлен методом магнетронного распыления в университете г. Уппсала, Швеция; спектры поглощения снимали на синхротроне Б8КБ, Гренобль, Франция. Ранее при обработке спектров был применен алгоритм с парциальным обратным оператором (для каждой пары атомов обращается свой интегральный оператор).
2
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ EXAFS-СПЕКТРОСКОПИИ 933
Результаты обработки экспериментальных спектров алгоритмом с полным обратным оператором (А)
Край Fe Fe—Fe Fe-Ni Fe-V
2.5086 (±0.0043) 2.5014 (±0.0021) 2.5486 (±0.0054)
Край Ni Ni-Fe Ni-Ni Ni-V
2.4946 (±0.0045) 2.4883 (±0.0021) 2.5407 (±0.0061)
Край V V-Fe V-Ni V-V
2.5249 (±0.0013) 2.5179 (±0.0060) 2.5702 (±0.0077)
Несмотря на то что парциальные межатомные расстояния для пар внутри слоев были при этом получены с хорошей точностью, погрешность определения расстояний для пар на границе между слоями оказалась сравнимой с ожидаемым различием в значениях, следовательно, этот результат не мог считаться достоверным.
Чтобы понять причины столь большой величины погрешности, была построена простейшая математическая модель исследуемой мультислойной пленки. Для примера на рис. 1 представлены модельные ПКФ вида Fe—Fe, Fe—Ni, Fe—V. Видно, что функции Fe—Ni и Fe—V значительно слабее, чем Fe—Fe. Этот факт объясняется сильным различием в парциальных координационных числах: пар Fe—Ni немного из-за малого процентного содержания никеля в образце (18 ат.%), а пары Fe—V существуют лишь в узкой интерфейсной области между слоями. Разница в силе пПКФ приводит к потере информации о слабых вкладах в полном EXAFS-сигнале, что и увеличивает погрешность определения парциальных расстояний.
Другая сложность задачи заключена в том, что математический аппарат EXAFS использует амплитудные и фазовые характеристики рассеяния фотоэлектронных волн в исследуемом образце. Это необходимо для выделения парциальных вкладов в EXAFS-спектр, но все элементы исследуемого образца (Fe, Ni и V) относятся к группе переходных 3^-металлов, их атомы имеют сходное электронное строение и, следовательно, сходные характеристики рассеяния. В результате слабый парциальный вклад не может быть выделен корректно, так как имеется более сильный вклад с похожей фазовой и амплитудной информацией.
Чтобы преодолеть указанные трудности, было предложено использовать алгоритм с полным обратным оператором [4]. Суть этого алгоритма заключена в том, что матрицы интегральных операторов для каждой пары атомов объединяются в суперматрицу полного интегрального оператора, которая регуляризируется, а затем обращается. Погрешность результатов, получаемых при помощи данного алгоритма, не превышает 0.01 Á, что было установлено посредством модельных расчетов. Результаты обработки экспериментальных данных представлены в таблице.
Результаты данной работы позволяют прийти к следующим заключениям:
1) предложен математический алгоритм, позволяющий с высокой точностью (0.01 Á) получать сведения о парциальных межатомных расстояниях из EXAFS-спектров мультислойных пленок;
2) атомы Fe, Ni и V образуют искаженную ОЦК-решетку (так как межатомные расстояния для разных пар атомов различны).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Baibich M.N., Broto J.M., FertA. et al. // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. № 21. P. 2472.
2. Бабанов Ю.А. Рентгеновские методы исследования атомной структуры аморфных тел. Часть 2. Метод рентгеноспектрального структурного анализа: Метод. реком. к лекционному курсу. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1995. 127 с.
3. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. Изд. 2-е.
4. Каменский И.Ю., Кунике М, Райх Т. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтр. исслед. 2003. № 11. С. 95.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 № 7 2009
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.