ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 8, с. 1100-1102
УДК 519.688
ПРИМЕНЕНИЕ EXAFS-СПЕКТРОСКОПИИ С УГЛОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЕВ И ИНТЕРФЕЙСОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
© 2011 г. Ю. А. Саламатов1, Ю. А. Бабанов1, Э. Х. Мухамеджанов2, В. В. Устинов1
E-mail: salamatov@imp.uran.ru
Предложена новая методика, дающая возможность восстанавливать концентрационный профиль и локальное атомное строение на произвольной глубине в металлических многослойных пленках из данных по зависимости EXAFS-спектров от угла падения первичного пучка. Возможности методики демонстрируются при помощи модельных расчетов для трехслойной системы Cr/Fe/Cr. Получены первые экспериментальные результаты для тонких пленок Cr, нанесенных на сапфировую подложку.
Металлические многослойные наногетерострук-туры представляют собой пленки из чередующихся слоев различных металлов. Интерес для науки они представляют как объекты для изучения магнито-транспортных свойств и магнитных взаимодействий в низкоразмерных металлических системах. С ростом исследований и публикаций по данным темам вошли в обиход более короткие названия этого класса материалов — мультислойные пленки или просто мультислои.
В данной работе предложена методика, позволяющая исследовать зависимость от глубины химической и локальной атомной структур образца. Это дает возможность использовать ее в качестве способа неразрушающей диагностики готовой продукции при промышленном производстве многослойных пленок.
Для определения концентрационного профиля образца предложено использовать угловую зависимость рентгеновской флуоресценции. Выбор обусловлен следующими особенностями этого метода: химическая селективность (из флуоресцентного спектра образца можно легко выделить необходимую линию) и селективность по глубине (изменение интенсивности флуоресценции с углом падения первичного пучка может быть связано с глубиной проникновения фотонов в образец).
Уравнение, описывающее угловую зависимость выхода флуоресценции, имеет вид (схему
вывода см. в [1])
1 Учреждение Российской академии наук Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург.
2 Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва.
If (E, ф) =
х Jp (z, A)|a (E, z)
exp
IosПо (A) s sin Ф
V (E)
v sin Ф
I f sin (
(1)
z > dz.
Здесь — интенсивность флуоресцентной линии; Е и ф — энергия фотонов и угол падения первичного пучка; 10 — интенсивность первичного пучка; е — выход флуоресценции в единицу телесного угла; п0(А) — атомная плотность элемента А в глубине чистого слоя; р(г, А) — концентрационный профиль элемента А на глубине г; Е, — коэффициент поглощения, обусловленный наличием атомов сорта А; (Е), ^ — полные коэффициенты поглощения для первичного и флуоресцентного пучков соответственно; Б — толщина образца; 9 — угол регистрации флуоресцентного излучения.
Уравнение (1) можно решить относительно функции р(г, А), восстановив тем самым концентрационный профиль элемента А в исследуемом образце. Если жер(г, А) известна из другого эксперимента (например, по рефлектометрии), то можно найти зависимость ц(Е, I). Проделав это для некоторого диапазона энергий, получим спектр поглощения, что дает нам возможность использовать математический аппарат ЕХАР8-спектроскопии [2] для определения локального атомного строения образца на различных глубинах.
Для проведения модельных расчетов, подтверждающих эффективность предлагаемой методики, была выбрана трехслойная структура Сг—Бе—Сг/А1203. В качестве модельного концентрационного профиля взята зависимость р(г) для хрома. На рис. 1 представлены соответствующая флуоресцентная
о
ПРИМЕНЕНИЕ БХАББ-СПЕКТРОСКОПИИ
1101
Конц. профиль р(г), отн. ед.
Флуоресценция, отн. ед.
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
-Модель
0 Решение
_|_I_I_I_1_
_|_I_I_I_I_I_I_I_I
-20 0 20 40 60 80 100120140160 Глубина г, ангстрем
Интенсивность /(ф)//0, отн. ед. 0.008
б
Ф, град
Рис. 1. Модельный концентрационный профиль (а) и соответствующая ему угловая зависимость флуоресцентного излучения (б). Для сравнения приведен также профиль, полученный в результате решения обратной задачи.
кривая и восстановленный профиль в сравнении с модельным. Видно, что совпадение достаточно хорошее.
Определение локального атомного строения на различной глубине является гораздо более сложной задачей, чем восстановление концентрационного профиля. Модельные расчеты можно разделить на три основных этапа: построение модельных БХАР8-спектров; построение кривых угловой зависимости выхода флуоресценции; решение уравнения (1) и БХХАБ8-уравнения и восстановление локальной атомной структуры в различных по глубине точках. Погрешность определения межатомных расстояний (основного параметра локальной атомной структуры) составляет не более 0.01 А.
Экспериментальная апробация проводилась на двух образцах типа Сг(150 А)/А120 з. Образцы были синтезированы методом молекулярно-лучевой эпи-таксии в Институте физики металлов УрО РАН; эксперименты с использованием синхротронного излу-
0.12
0.08
0.04
о Эксперимент — Расчет по решению
0
0 2 4
Угол,град
Концентрация Сг, отн. ед.
1.0
0 40 80 120 160 Глубина г, ангстрем
Коэф. отражения, отн. ед.
10 1 0.1 0.01 1Е-3 1Е-4 1Е-5 1Е-6 1Е-7
X 60
50
40
30
20
10
о Эксперимент — Модель
10 20 30 40 Угол, град
50
0 40 80 120 Глубина г, ангстрем
160
Рис. 2. Экспериментальные кривые и результаты для образца Сг(150 А)/А1 203. а, б — данные по флуоресценции, в, г — по рефлектометрии. Для второго образца — аналогичная картина .
чения проводили в Курчатовском центре синхро-тронных исследований и нанотехнологий.
Было установлено, что на поверхности образцов существуют окисленные слои (СгО) толщиной
а
6
0
2
4
6
0
1102
САЛАМАТОВ и др.
примерно 25 А. Также было выявлено различие в толщине пленок, составляющее 8 А. Эти результаты подтверждаются анализом рефлектометриче-ских кривых, из которых определялось изменение показателя преломления с глубиной (рис. 2).
Итак, предлагаемая методика дает возможность определять концентрационные профили тонких пленок, что показано как на модельных расчетах, так и при обработке эксперимента. На текущий момент не удалось определить концентрационные профили многослойных образцов. Для решения этой проблемы предполагается объединить обработку экспериментальных данных по флуоресценции и рефлектометрии, т.е. искать такое решение, которое будет описывать оба эксперимента.
Апробация возможности восстановления локальной атомной структуры на данный момент не завершена вследствие трудоемкости эксперимента.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН, проект № 09-П-2-1032.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Booth C.H., Bridges F. // Phys. Scripta. 2005. V. 115. Р. 202.
2. Бабанов Ю.А. Рентгеновские методы исследования атомной структуры аморфных тел. Часть 2. Метод рентгеноспектрального структурного анализа: Метод. рекомендации к лекционному курсу. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1995. 127 с.
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.