РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ

РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ

(от лат. reflecto - отражаю и греч. metreo - измеряю)- совокупность методов исследования плоских границ раздела сред путём анализазеркально отражённых от изучаемой границы пучков молекул, атомов, частицили эл.-магн. излучения. Наиб. разработана нейтронная Р., поэтому в узкомсмысле Р.- совокупность методов изучения плоских границ раздела сред, воснове к-рых лежит зеркальное отражение пучка низкоэнергетич. нейтронов( ), падающихпод малыми углами скольжения (~10^-3-10^-2 рад) к плоскостиграницы. Р. разделяют по типу изучаемых объектов на Р. немагнитных и Р. <магнитных сред. В первом случае используются пучки неполяризованных, вовтором - поляризованных нейтронов (п о л я р и з а ц. Р.). Методами Р. <изучают профиль ядерного нейтронно-оптич. потенциала (см. Нейтроннаяоптика )вдоль нормали к границе на глубинах до неск. тысяч ангстрем, <а предметом излучения являются поверхности жидкостей, кристаллических илиаморфных тел (массивные пластины, тонкие плёнки на подложках), а такжевнутр. границы в системах жидкость - жидкость, жидкость - твёрдое тело, <плёнка - подложка. С помощью поляризац. Р. изучается поведение векторалокальной намагниченности по глубине, в частности особенности магн. свойствприповерхностной (толщиной )области ферромагнетиков или идеальных диамагнетиков - сверхпроводников. <Объектами изучения в этом случае являются, как правило, массивные пластиныили тонкие плёнки на подложках.

Р. получила развитие как один из методов исследований по физике конденспров. <сред на импульсных источниках нейтронов. На рис. 1 и 2 показаны принципиальныесхемы рефлектометров по методу времени пролёта. Полихроматич. пучок тепловыхнейтронов от импульсного источника, сформированный с помощью поглощающихдиафрагм (коллиматоров) 1, 2 (рис. 1), падает на поверхность иливнутр. границу раздела образца 3 под углом скольжения рад [угол имеет разброс ].Зеркально отражённые нейтроны регистрируются детектором нейтронов . и одновременно анализируются по скорости (длине волны) с помощью электронногоустройства (временного анализатора), по времени регистрации, т. с. повремени пролёта нейтроном расстояния от источника до детектора. В поляризац. <рефлектометре (рис. 2) падающий пучок предварительно поляризован с помощьюполяризатора нейтронов 1, а образец 6 размещён в зазоре эл.-магн. <системы 5 (напр., системы колец Гельмгольца), позволяющей создаватьна образце магн. поле, изменять его направление н (или) величину. Эл.-магн. <система обеспечивает две важные ф-ции: а) воздействует магн. полем на образец;б) задаёт определ. направление вектора поляризации Р падающих нейтроновотносительно поверхности образца. Последнее обеспечивается благодаря адиабатич. <проведению спина нейтронов в магн. полях установки. Спец. эл.-магн. устройство- спин-флиппер 4 обеспечивает изменение знака поляризации в падающемпучке. Изменение угла производится с помощью механич. устройства поворота образца. Подвижныйдетектор позволяет измерять как отражённый, так и падающий пучки. Разностькоординат детектора, соответствующих положениям максимумов прямого и отражённыхпучков, позволяет определить угол с высокой точностью. Совершенствование рефлектометров идёт по пути примененияоднокоординатных позиционно-чувствит. детекторов нейтронов высокого разрешения( мм), а такжеприменения многопучкового способа облучения образца, т. е. формированияне одного, а двух или более разнесённых по углу узких пучков с раздельной регистрацией каждого из них после отражения.

Рис. 1. Схема нейтронного рефлектометра: 1, 2 - диафрагмы; 3 - образец, <поверхность которого облучается узкоколлимированным пучком тепловых нейтроновп от источника; 4 - детектор, регистрирующий нейтроны, зеркально отраженныеот поверхности образца,- угол скольжения. Типичное расстояние от диафрагмы 1 до детектора 6-10м.

Рис. 2. Схема поляризационного нейтронного рефлектометра: 1 - поляризаторполихроматических тепловых нейтронов; 2 - диафрагмы; 3 - постоянные магнитыдля адиабатической проводки спина нейтрона; 4 - спин-флиппер, обеспечивающийпри включении реверс вектора поляризации Р относительно ведущего магнитногополя; 5 - система колец Гельмгольца, задающая направление вектора Н относительноплоскости образца; 6 - образец; 7 - детектор, регистрирующий зеркальноотражённый пучок.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента отражения

от поверхностей одного и того же образца стекла (пластина), получаемогоразливом на жидком олове; 1, 2 - коэффициенты отражения от поверхностей, <граничащих с оловом и воздухом соответственно. На вставках: пространственнаязависимость потенциалов U(z), обеспечивающих подгонку кривых . Заштрихованы области шероховатости.

В Р. результаты измерения представляются в виде коэф. отражения (рис. 3), связанного с интенсивностями падающего I₀(k_z )и зеркально отражённого I(k_z )пучков соотношением

Здесь k_z - нормальная к границе раздела компонента волновоговектора падающего нейтрона k (k_z =). Теоретич. интерпретация ф-ции R(k_z )основываетсяна решении стационарной квантовомеханич. задачи об отражении скалярнойплоской нейтронной волны от границы одномерного потенциала [ эВ - типичноезначение; N(z), b(z) - локальные (средние по плоскости ху )плотностирассеивающих ядер и их нейтронных длин рассеяния]. Т. о., форма потенциала U(z )определяется пространственными (вдоль г) особенностями плотностии состава среды на микроскопич. уровне.

Причины, приводящие к размытию потенциала U(z )в приграничныхобластях (~100),в основном следующие: на поверхности - микрошероховатость, отличие поверхностнойплотности от объёмной, примеси; на внутр. межслойных границах, кроме перечисленных,-взаимная диффузия.

Теоретич. значение R(k_z )получают методами численногорешения стационарного Шрёдингера уравнения с модельным потенциалом U(z). Для модели полубесконечной среды (массивная пластина) в области ,где применимо борновское приближение, задача имеет аналитическоерешение:

где R₀(k_z) - козф. отражения от потенциалас абсолютно резкой границей:

а - компонента волнового вектора нейтрона в среде; m - масса нейтрона. Еслираспределение градиента потенциала является гауссовым (см. Гаусса распределение);

(случай шероховатой границы), то при всех коэф. R(k_z )с хорошим приближением описывается ф-лой

Нижние значения параметра шероховатости s, извлекаемые из эксперим. <значений R(k_z), лежат в области неск. ангстрем. При отражениинейтронов от тонких плёнок, имеющих потенциал, отличный от потенциала подложки, зависимость R от k_z приобретает осциллирующий характер (рис.4) вследствие интерференции волн, отражённых от поверхности и от границыс подложкой. В результате средняя по площади толщина плёнки в неск. тысяч определяется с точностью в неск.

Рис. 4. Экспериментально полученная зависимость коэффициента отражения от поверхности тонкой золотой плёнки, полученной термическим напылениемна поверхность стекла. На вставке: форма потенциала U(z), обеспечивающегоподгонку кривой

Ферромагн. среды обладают способностью поляризовать тепловые нейтроны, <зеркально отражённые от их поверхности. Это объясняется тем, что потенциал взаимодействия магн. момента нейтрона с вектором локальной намагниченности образца М имеет, как правило, <значения, сравнимые с нейтронно-оптическим ядерным потенциалом U. Количественноймерой процесса поляризации пучка при зеркальном отражении служит векторполяризующей способности среды Q(k_z), к-рый задаёт величинуи направление поляризации, возникающей в отражённом пучке. Между вектором Q(k_z )и вектором M_s(z)[проекция вектора M(z )на плоскость ху] имеется взаимно однозначное соответствие, <на основе к-рого из Q(k_z )устанавливают распределение M_s(z). Это позволяет применять поляризац. Р. в качествеметода изучения структуры намагниченности тонких ферромагн. плёнок с неколлинеарнымпо глубине осн. состоянием либо возникающим из коллинеарного под действиемвнеш. магн. поля. Эта возможность - уникальное свойство нейтронной поляризац. <Р., поскольку др. методы исследования (электронная микроскопия и методына основе Керра эффекта )не позволяют для таких структур получатьполной информации.

В поляризац. Р. последовательно измеряют интенсивности отражённых пучков:положительно поляризованного (спин-флиппер выключен) и отрицательно поляризованного (спин-флиппер включён). Знак поляризации пучка задаётся относительно вектора Н ведущего магн. поля установки. Направление Н в месте расположенияобразца определяет пространственное направление вектора Р поляризациипадающего пучка. Величины и связанысо скалярным произведением векторов Р и Q(k_z )соотношением

Т. <о., для определения Q_xyz компонент вектора Q(k_z )конкретного образца достаточно измерить для направлений Р вдоль х, у,z осей соответственно.

Поляризац. Р. используют как прямой метод изучения распределения поглубине диамагн. момента сверхпроводящего образца в приповерхностной областис целью определения лондоновской глубины проникновения магн. поляв сверхпроводник, находящийся в мейснеровской фазе. Формализм описанияпроцесса отражения, служащий для ферромагнетиков, легко переносится насверхпроводники - идеальные диамагнетики. Для изучения обычных диамагнетиковР. не применяется.

Лит.:1) F е 1 с h e r G. Р. и др., Polarized neutron reflectometer.A new instrument to measure magnetic depth profiles, «Rev. Sci. Instrum.»,1987, v. 58, № 4, p. 609; 2) P e 1 с h e r G. P. и др., Investigation ofmagnetism at surfaces by polarized neutron reflection (invited), «J. Appl.Phys.», 1985, v. 57, JVi 8, p. 3789; 3) Penfold J., Thomas R. K., The applicationof the specular reflection of neutrons to the study of surface and interfaces,«J. Phys. Condens. Matter», 1990, v. 2, p. 1369; 4) К о p н e e в Д. А.,Изучение неоднородно намагниченных магнитных пленок с помощью поляризованныхнейтронов, «Поверхность. Физика, химия, механика», 1989, MS 2, с. 13; 5)К о р н e e в Д. А., Черненко Л. П., Нейтронная дифракционная оптика ограниченныхсред со сложной магнитной структурой, препринт ОИЯИ Р 4-89-709; 6) Г ап о н о в С. В. и д р., Определение глубины проникновения магнитного поляв сверхпроводящую тонкую монокристаллическую пленку YBa₂Cu₃O₇ методом отражения поляризованных нейтронов, «Письма в ЖЭТФ», 1989, т. 49,в. 5, с. 277. Д. А. Корнеев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.