КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2007, том 52, № 1, с. 27-31
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 537.535.4
К 50-летию журнала
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗОНАТОРОВ ФАБРИ-ПЕРО ДЛЯ ЖЕСТКИХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
© 2007 г. Ш. Чжанг
Национальный университет Цинъ Хуа, Синъчжу, Тайвань E-mail: slchang@phys.nthu.edu.tw Поступила в редакцию 25.01.2006 г.
Рассматриваются вопросы, связанные с изготовлением миниатюрных резонаторов размером несколько микрометров и меньше. Несколько таких рентгеновских резонаторов используются в экспериментах по обратной дифракции рентгеновских лучей, где обратная дифракция рассматривается как аналог зеркального отражения рентгеновских лучей. При этом однозначно наблюдаются интерференционные полосы резонанса. Обсуждаются пути изготовления полости из многослойных материалов для использования в рентгеновском синхротронном эксперименте. Предлагаются возможные области применения рентгеновского резонатора.
PACS: 41.50.+h, 61.10.Eq, 78.70.Ck
ВВЕДЕНИЕ
Интерферометр-резонатор Фабри-Перо часто используется в оптике [1]. Он состоит из двух отражающих зеркал, от которых поочередно отражаются фотоны, что при условии соблюдения когерентности приводит к резонансу (рис. 1). Через оптический интерферометр Фабри-Перо наблюдаются концентрические кольца полостного резонанса в проходящем пучке. Предполагается, что интерференционные полосы можно увидеть при настройке энергии фотонов и сканировании углов. Для жестких рентгеновских лучей резонатор (полость) был предложен давно [2-12]. Проведены теоретические расчеты распределения интенсивности рентгеновской дифракции для рентгеновских резонаторов, которые основаны на динамической теории рентгеновской дифракции [5-9]. Опубликованы также эксперименты, направленные на выявление полостного резонанса [6-9]. Однако наблюдение полос резонанса от рентгеновской полости все еще остается сложной задачей. В недавних экспериментах [10, 11] была предпринята попытка показать сохранение рентгеновских фотонов в кристаллическом резонаторе и полостную интерференцию при разрешении в микроэлектронвольт, однако условия эксперимента не позволили разрешить резонансные полосы от измеренных дифракционных интенсивностей. Резонаторы Фабри-Перо для жестких рентгеновских лучей были реализованы совсем недавно [13].
Настоящая работа посвящена подходу к использованию микро- и нанотехнологий и рентге-
новской оптики высокого разрешения для прямого наблюдения интерференционных полос полостного резонанса для жестких рентгеновских лучей.
КОГЕРЕНТНОСТЬ И ПОЛОСТНОЙ РЕЗОНАНС
В литературе предложено много способов изготовления полостей в кристалле. В них используются асимметрически вырезанные кристаллы кремния, в которых поочередные отражения от
плоскостей (111) и (224) образуют замкнутую петлю, так что дифракционные рентгеновские лучи можно заключить в петлю. В качестве кристаллических полостей были предложены полые кристаллы треугольной или прямоугольной формы [3]. Поскольку дифракционные лучи циркулируют вокруг направления рентгеновского пучка
- t d dg t -
/де *---
1
Si
Рис. 1. Схематическое изображение двухпластинного рентгеновского резонатора Фабри-Перо [13].
Рис. 2. Узкая полость из двух пластин. Вид сверху (вверху) и сбоку (внизу). Зазор между кристаллическими пластинами составляет 100 нм.
путем последовательных отражении в кристалле, образуется рентгеновский кристаллический резонатор. Однако простеИшеИ и наиболее часто ис-следовавшеИся геометриеИ рентгеновского резонатора является одномерная полость из двух пластинок. Используя обратную дифракцию на наборе атомных плоскостей, можно добиться отражения падающих рентгеновских лучеИ поочередно от двух кристаллических пластинок.
Возможность выявления интерференции, благодаря полостному резонансу, очень сильно зависит от экспериментальных условиИ, необходимых для когерентности используемых рентгеновских лучеИ. Если эти условия выполняются, полосы полостного резонанса, в принципе, должны наблюдаться.
Чтобы наблюдать хорошо разрешенные полосы резонанса при сканировании энергии, разрешение по энергии АЕ падающего луча должно быть меньше, чем так называемыИ свободныИ спек-тральныИ интервал Ес! и ширина спектральноИ линии Г. Кроме того, ширина Г должна быть меньше, чем ЕС, т.е. АЕ < ЕС, АЕ < Г и Г < ЕС, где Ел = Но/2с1. Это уравнение для ЕС можно вывести прямо из закона Брэгга для угла 90°. Если применить принцип неопределенности АtАE ~ й, учесть время циркуляции ^ рентгеновских фотонов в оба конца в зазоре и определение продольноИ когерентноИ длины ¡ь = (к/Ак) = (к/(АЕ/Е)), то придем к двум дополнитель-
ным критериям, необходимым для полостного резонанса, а именно: (1) временная когерентность А^ падающего пучка больше времени циркуляции, т.е. Аt = (й/АЕ) > tf/2п(=й/ЕС); (2) продольная когерентная длина больше удвоенного зазора, т.е. ¡ь > 2С, где эффективная ширина зазора С складывается из толщины кристаллическоИ пластинки t и ширины зазора между двумя пластинками Сг, С = t + Сг Фактически все эти критерии зависят от разрешения по энергии АЕ и эффективноИ ширины зазора С. Эти два параметра являются ключевыми для возможности наблюдения полос полостного резонанса.
МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОСТИ
Кристаллическую полость можно разработать и изготовить в соответствии с приведенными выше критериями когерентности, необходимыми для полостного резонанса. Для к = 1 А при разрешении по энергии АЕ/Е, составляющем приблизительно 10-8, эффективныИ зазор С должен составлять порядка нескольких сот микрометров. Если разрешение по энергии составляет приблизительно 10-4, величина С должна быть порядка нескольких десятков нанометров. В этих случаях микро- и нано-технологии играют существенную роль при изготовлении кристаллическоИ полости.
На этом основании выбираем размеры поло-стеИ кристаллов в несколько сотен микронов для монохроматора высокого разрешения по энергии АЕ, равноИ 0.36 мэВ, при Е0 = 14.438 кэВ, т.е. АЕ/Е = 2.5 X 108 [14]. При этих условиях выполняются все критерии полостного резонанса. Для изготовления кристаллических полостеИ микронного размера был использован способ микроэлек-тронноИ литографии. Фоторезист и шаблон были нанесены на поверхность Si-пластинки в соответствии с рассчитанноИ шириноИ и толщиноИ кристаллическоИ пластины и размером зазора Сг между соседними кристаллическими пластинами. Поверхность была подвергнута ионному травлению и затем очищена. Были получены кристаллические полости размером t = 25-100 мкм,
= 40-150 мкм, С = t + С = 65-250 мкм. Ширина и высота кристаллических пластинок составляли 800 и 200 мкм соответственно. На рис. 2 показаны виды сверху и сбоку узкоИ полости между двумя пластинками с t = 70 мкм и С = 100 мкм. Ожидаемая развертка по энергии интенсивности проходящего и отраженного луча показаны на рис. 3, где первая представляет собоИ вогнутую колебательную кривую, а вторая - волнообразную выпуклую кривую.
Для полостеИ размером в несколько десятков нанометров в качестве резонаторов можно использовать мультислои и сверхрешетки, которые готовят методом молекулярно-лучевоИ эпитаксии и другими способами. Например, полостноИ резо-
I, отн. ед. 0.8
0.6
0.4
0.2
0
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Е, мэВ
Рис. 3. Рассчитанная интенсивность проходящих лучей (000) - 1 и интенсивность отражения (12.4.0) - 2 как функция энергии рентгеновских лучей для узкой полости из двух пластин вблизи 14.438 кэВ.
I, отн. ед. 1.0
-300 -200 -100
100 200 300 АЕ/Е, 10-4
Рис. 4. Рассчитанная интенсивность проходящих лучей (000) (верхняя кривая) и интенсивность отражения (12.4.0) (нижняя кривая) как функция энергии рентгеновских лучей для сверхструктурной полости, состоящей из 35 кристаллических пластин толщиной 1.57 нм с зазором 10 нм, вблизи 14.438 кэВ.
нанс возможен при использовании Si0.7Ge0.3/Ge на-нометрового размера для отражения (12.0.0) при резонансной энергии 13.69 кэВ для Si-мультислоев и при энергии 13.54 кэВ для Si0.7Ge0.3. На рис. 4 показаны вычисленные (ожидаемые) полосы интерференции отраженного и проходящего лучей в результате полостного резонанса в полости на-нометрового размера сверхрешетки. Полость сверхрешетки состоит из 35 кристаллических пластинок толщиной 1.57 нм и зазором 10 нм. Интенсивность проходящего луча также описывается вогнутой колебательной кривой, а отраженного дуча - волнообразной выпуклой кривой (рис. 4).
Далее рассматриваются дифракционные эксперименты для полостей микронного размера с целью получения интерференционных полос полостного резонанса.
СИНХРОТРОННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Эксперимент выполнен на тайваньской онду-ляторной линии источника синхротронного излучения Sprmg-8 (Япония). Падающее излучение монохроматизировали сначала двойным кристаллическим Si (111) монохроматором, затем - четверным кристаллическим монохроматором высокого разрешения для энергии Е0 = 14.4388 кэВ. Кристаллическую полость с осью [001], направленной вдоль вертикали, поместили на гониометрическую головку в центре восьмикружного ди-фрактометра НиЬег на расстоянии 1.5 м от последнего (асимметричного) кристалла (11.5.3) (рис. 5). Отражение (12.4.0) от Si использовали как обратную дифракцию. Полость можно поворачивать вокруг вертикального направления
[001] и горизонтального направления [130], изменяя и 9^ соответственно. Проходящий дифрагированный и отраженный пучки регистрировали с помощью рт-диода и ионной камеры. Четверной кристаллический монохроматор, состоящий из двух пар асимметричных отражений (4 2 2) и (11.5.3) в геометрии (+-+), позволяет получить разрешение по энергии 2 х 10-8. Из-за высокой энергии используемого рентгеновского излучения и симметрии алмазной структуры кремния 220 отражения сопутствуют отражениям (12.4.0) и (000) и образуют 24-х лучевую дифракцию, состоящую из девяти компланарных дифракций осей одной зоны. Эти девять компланарных дифракций, обозначаемых Х1-Х9, включают следующие отражения: ¿1-(040), (440), (480), (840), (880) и (12 0 0); 12-(642) и (682); Х3-(022) и (12.2.2); Ь4-( 606) и (646); ¿5-(426) и (826); 16-
(а)
(4 2 2 )
(б)
Ондулятор
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.