ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 8-13
УДК 541.123:546.21
УЧЕТ ДИФФУЗНОГО РАССЕЯНИЯ ПРИ АНАЛИЗЕ ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ НЕЙТРОНОВ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ-КРЕМНИЙ
© 2015 г. И. В. Гапон12, *, В. И. Петренко1,2, М. В. Авдеев1, Л. А. Булавин2, Ю. Н. Хайдуков3, О. Солтведель3, В. Зависова4, И. Антал4, П. Копчански4
Лаборатория нейтронной физики им. И.М. Франка, Объединенный институт ядерных исследований,
141980Дубна, Россия 2Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, 3022 Киев, Украина 3Max-Plank Institute for Solid State Research, 85747 Gawking, Stuttgart, Germany 4Üstav Experimenalnej Fiziky Slovenskej Akademie Vied, 04001 Kosice, Slovenska Republika
*E-mail: gapon@jinr.ru Поступила в редакцию 22.04.2014 г.
Рассмотрены данные нейтронной рефлектометрии для границы раздела магнитная жидкость (маг-нетит/олеат натрия/020)-кремний с учетом фона от диффузного рассеяния на наночастицах магнитной жидкости, адсорбированных на поверхности кремния. Исследованы два способа вычитания фона при выделении кривой зеркального отражения. Из сравнения результатов нейтронной ре-флектометрии и малоуглового рассеяния нейтронов сделан вывод о том, что на поверхности кремния преимущественно адсорбируются отдельные наночастицы, а не их агрегаты, которые также присутствуют в жидкой фазе. Имеет место и дополнительная адсорбция из объема магнитной жидкости свободного олеата натрия.
Ключевые слова: нейтронная рефлектометрия, адсорбция магнитных частиц, магнитные жидкости, диффузное рассеяние
Б01: 10.7868/80207352815010072
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные жидкости (МЖ) являются уникальными системами, сочетающими в себе магнитные свойства и текучесть. Они состоят из магнитных наночастиц (характерный размер 10 нм), находящихся в жидкой среде. Для предотвращения агрегации поверхность частиц покрывают слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ). Исследование МЖ имеет большое практическое и фундаментальное значение [1—4]. Несмотря на большое количество статей, посвященных изучению структуры магнитных жидкостей в объеме образца, мало внимания уделялось изучению их микроструктуры вблизи границы раздела с другими средами. Сегодня достаточно большой интерес связан именно с изучением объектов на границе раздела жидкость—твердое тело [5—8].
В настоящей работе объектом исследования являлась граница раздела кремния с полярной магнитной жидкостью на основе наномагнетита, диспергированного в воду и стабилизированного двойным слоем олеата натрия. Ранее для данной границы раздела из анализа зеркального отражения нейтронов было обнаружено [8] упорядоче-
ние магнитных наночастиц при высаживании их на поверхность кремния в случае концентрированных (объемная доля магнетита до 10%) систем. При этом наблюдалось сильное диффузное рассеяние как результат малоуглового рассеяния на наночастицах. При выделении кривых зеркального отражения оно учитывалось посредством использования дополняющих данных малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН), полученных для объемных образцов. Такой учет подразумевает совпадение структуры жидкости в объеме и на границе раздела. Вместе с тем, недавние эксперименты МУРН для рассматриваемой МЖ [9] обнаружили в системе присутствие стабильных агрегатов, структура которых чувствительна к условиям приготовления и наличию дополнительных компонентов. Отдельные частицы МЖ и их агрегаты могут проявлять разные адсорбционные свойства. Постановка вопроса, насколько структура МЖ на границах раздела повторяет ее объемную структуру, обозначает проблему получения кривой зеркального отражения с учетом диффузного фона без использования данных МУРН. В настоящей работе проводится анализ двух способов такого учета при обработке экспериментальных
данных нейтронной рефлектометрии. Рассмотрена граница раздела со слабоконцентрированной МЖ. В результате сделаны выводы о различии структуры МЖ на границе раздела и в объеме.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Подробное описание метода нейтронной рефлектометрии в отношении различных границ раздела можно найти, например, в [10]. Отметим, что зеркальное отражение нейтронного пучка содержит информацию о распределении плотности длины рассеяния р в направлении, перпендикулярном поверхности отражения, т.е. вдоль нормали к плоскости образца (условно — направление I). В эксперименте измеряется отношение интенсивности отраженного и падающего пучка как функция модуля волнового вектора. Отражение нейтронов может быть описано с помощью стандартных вычислений, используемых в оптике. Так, распространение и преломление нейтронов в среде описывают при помощи показателя преломления п, который записывается как
п = 1 - (Х2/2я)р. (1)
Здесь р — средняя плотность длины рассеяния на границе раздела, X — длина волны нейтрона.
Следует отметить, что, в отличие от рентгеновского излучения, когерентная длина рассеяния нейтронов, а следовательно и р, может сильно изменяться для разных изотопов. Так, для водорода Ьн = —3.74 х 10-15 м, а для его изотопа (дейтерий) ¿0 = 6.67 х 10-15 м. Это обстоятельство использовалось для усиления разности в показателях преломления компонентов границы раздела и создания условия полного отражения посредством изотопического замещения водород—дейтерий в жидком носителе МЖ.
Традиционный подход при интерпретации данных нейтронной рефлектометрии заключается в создании соответствующей слоистой модели, которая предполагает равномерный показатель преломления в каждом из слоев, параллельных поверхности раздела. Каждый слой в расчетах характеризуется толщиной, постоянной плотностью длины рассеяния и межфазной шероховатостью. В нейтронной рефлектометрии используется зависимость коэффициента отражения от модуля вектора рассеяния q = 4я/Х 8т(29), где 29 — угол рассеяния. Как и в классической оптике, интенсивность отражения резко уменьшается для углов, превышающих критический угол полного внешнего отражения (9С), который имеет значение порядка 0.4° для границы раздела кремний/Э20.
Эксперимент по нейтронной рефлектометрии был проведен на установке NREX (реактор FRM2, Мюнхен, Германия) в случае горизонтальной плоскости образца (вертикальная плоскость
рассеяния). Использовался монохроматический пучок нейтронов (к = 4.28 Ä, разрешение по длине волны А к/к ~ 2%). Угловая расходимость пучка
SA
составляла — = 0.03°. Для контроля изменения
потока нейтронов во времени использовали монитор (камера деления LND 3003, LND, Нью-Йорк, США).
Магнитная жидкость помещалась в специальную экспериментальную ячейку [11]. Нейтронный пучок направлялся на исследуемую границу раздела через переднюю грань монокристаллического кремниевого блока (ориентация [111], размеры 80 х 50 х 15 мм, Silizium Bearbeitung Holm, Танн, Германия), отраженные нейтроны проходили через заднюю грань блока. Поверхность кремния, контактирующая с жидкой фазой, была отполирована (шероховатость aSi = 0.5 нм). Для эксперимента было использовано 10 мл магнитной жидкости; слой МЖ над поверхностью кремния составлял 2.5 мм. Отраженные нейтроны детектировались с помощью позиционно-чувствитель-ного детектора (DENEX-200, DENEX, Люнебург, Германия), расположенного на расстоянии 2.5 м от ячейки. Для получения полной кривой отражения использовался так называемый 9—29 тип сканирования, когда детектор двигается перпендикулярно падающему пучку и отраженные нейтроны всегда попадают в одну и ту же область детектора. Никакая дополнительная калибровка на эффективность детектора не проводилась.
Перед началом измерений полированная поверхность кремния была очищена и обезжирена. Во время эксперимента на образце поддерживалась постоянная температура 20°C.
Исследованная магнитная жидкость была приготовлена по методу соосаждения: смешивались два раствора солей FeSO4 • 7H2O и FeCl3 • 6H2O в водно-щелочной среде (25% NH3). В результате реакции был получен черный осадок магнетита Fe3O4. Стабилизация этого осадка была достигнута путем добавления олеата натрия C17H33COONa (теоретическое отношение добавленного олеата натрия к Fe3O4 составляло 0.73 г на 1 г) с последующим перемешиванием и нагреванием до температуры кипения. Для разделения осадка, стабилизированного поверхностно-активным веществом, применялось центрифугирование со скоростью 5000 об. • мин-1 на протяжении 30 мин. В качестве растворителя МЖ использовалась тяжелая вода. Объемная доля магнитных частиц в МЖ согласно магнитной гранулометрии составила 0.8%. D-рас -творитель (р = 6.34 х 1010 см-2) был применен для увеличения контраста жидкости с кремнием (р = = 2.07 х 1010 см-2), а также для уменьшения некогерентного фона от водорода.
10
ГАПОН и др.
ар, град 2 г
3.280 3.700 4.120 4.540 4.960 5.380 5.800
2
а,-, град
Рис. 1. Карта рассеяния для магнитной жидкости (на-номагнетит в тяжелой воде, стабилизированный двойным слоем олеата натрия) на границе раздела с кристаллическим кремнием. Интенсивность нормирована на падающий пучок и дана в логарифмическом масштабе. Прямой линией указан зеркальный канал, когда угол падения равен углу отражения.
Я
0.01 -
0.001 .
0.0001 =
1.5 2.0 Ог, нм-1
Рис. 2. Сигнал вдоль линии зеркального отражения (точки) для границы раздела магнитная жидкость— кремний и фон (сплошная линия) диффузного рассеяния в ее окрестности в зависимости от модуля вектора рассеяния.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментальная интенсивность рассеяния нейтронов (функция угла падения а, и угла отражения а нейтронного пучка к нормали отражающей поверхности) от границы раздела кремний-МЖ представлена на рис. 1. Зеркальное отраже-
ние соответствует диагонали а, = ар. Из рисунка видно, что значительная часть нейтронов рассеялась диффузно в широком угловом диапазоне Аар включая зеркальные углы. Для получения истинной кривой отражения требуется его вычитание. В первом приближении диффузный фон полагают постоянным в окрестности диагонали а, = ар и приравнивают к средней интенсивности по каналам, лежащим достаточно близко от каналов зеркального отражения, где зеркальным отражением заведомо можно пренебречь. Данный способ оценки диффузного рассеяния обозначается далее как методика I. Зав
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.