Рентгеновская дифракция под скользящим углом

Основная цель дифракционного измерения состоит в том, чтобы обнаружить дифракционные пики от материала при исследовании. Дифракция происходит только, когда угол падения пучка на семействе плоскостей - такой, чтобы удовлетворялся закон Брэгга. Таким образом, любой дифракционный пик возникнет только от кристаллов или кристаллитов, ориентируемых особым образом. В стандартной конфигурации рентгеновской дифракции угол падения на поверхность образца устанавливается под тем же углом, что и детектор. Таким образом, любые детектируемые кристаллические плоскости будут лежать параллельно поверхности образца. Это неверно для двух главных геометрий –несимметричной геометрии скользяще падающего пучка и рассеяния скользяще падающего рентгеновского пучка. Эти два случая схематично показаны на рис. 11 и сравнены со стандартной q-2q геометрией.

Первая из этих двух геометрий – наиболее часто встречаемая. Поэтому начнем с нее. Данная методика получила название ассиметричная брэгговская дифракция.Угол кристаллических плоскостей, которые вносят вклад в любой дифракционный пик, наклонены относительно поверхности образца, и угол наклона изменяется, когда детектор сканирует по углам. Так что данная геометрия намного более подходит для изучения поликристаллических поверхностей, чем для изучения поверхности монокристалла, потому что при исследовании монокристалла важная переменная - это ориентация образца относительно падающего пучка. Поскольку тонкопленочные образцы обычно текстурированы, и в них часто наблюдаются предпочтительные ориентации, при их исследовании в рассматриваемой геометрии будут зарегистрированы различные интенсивности пиков. Благодаря малой глубине проникновения, получим на два порядка чувствительность выше, чем при стандартной геометрии. Нужно только помнить, что это сопровождается существенной потерей в интенсивности из-за ограниченных размеров падающего пучка, малой глубины проникновения, и несфокусированной геометрии.

Для данной методики не требуются ультрагладкие образцы, и значительное увеличение поверхностной чувствительности можно получить даже с довольно шероховатых поверхностей. Однако при анализе слишком шероховатых поверхностей возникают трудности с точным определением падающего угла, и зачастую возникают трудности с совмещением.

Несимметричное расположение источника и приемника создает геометрию без фокуса, которая требует наличия узкой щели между образцом и детектором. В результате разрешение становится значительно хуже, чем в современных дифракционных установках с геометриейq-2q. Такая система обычно имеет разрешающую способность ~0.1-0.2°. Для простой идентификации фаз этого достаточно. Однако если нам нужно определить размеры кристаллитов или усредненное микронапряжение, этого разрешения может не хватить.

Отражение рентгеновских лучей под скользящим углом обычно используется для анализа тонких пленок и поверхности. Сюда входит определение толщины пленок, определение поверхностной плотности, вычисление шероховатости поверхности и скрытых границ раздела, структурные исследования плёнок Ленгмюра-Блоджета, исследование ионно-лучевого или термического смешивания.

Рентгеновская дифракция под скользящим углом в асимметричной геометрии получила широкое распространение в исследовании структур твердофазных пленок. Кроме того, она используется для исследования процессов поверхностной коррозии, ионно-лучевой модификации и т.д. Другое важное применение данного метода – структурный анализ восстановленных поверхностей.

Методику дальней тонкой структуры рентгеновского спектра поглощения на отражение можно использовать для анализа приповерхностных областей широкого круга образцов, для которых не применим ни один другой метод. В частности, метод применяется для исследования локальной атомной структуры вокруг специфических атомных частиц в некристаллической окружающей среде. Она используется и для анализа нанокристаллических материалов и начальных стадий кристаллизации на поверхностях и границах раздела.

Рис. 11. Схематическое изображение трех геометрий дифракции: (a) стандартная q-2q, (b) несимметричная геометрия скользяще падающего пучка, (c) рассеяние скользяще падающего рентгеновского пучка

В отличие от классической геометрии и несимметричной геометрии скользяще падающего пучка, рассеяние скользяще падающего рентгеновского пучка идеально подходит для изучения кристаллических плоскостей, перпендикулярных поверхности образца.

В идеале угол падения пучка и угол приема детектора будут оба установлены под критическим углом к поверхности образца. Тогда отраженный рентгеновский луч движется параллельно поверхности и интенсивность поверхностной затухающей волны максимальна. Ограничение данной геометрии заключаются в значительном уменьшении интенсивности пучка на детекторе, в результате ее нельзя применять для исследования свободно ориентированных поликристаллических поверхностей с лабораторным источником рентгеновского излучения. Ее можно использовать для сильно текстурированных поликристаллических поверхностей для определения текстуры или напряжения, но такие измерения могут быть сделаны другими способами. Наиболее широкое применение данная методика нашла при исследовании монокристаллических поверхностей и эпитаксиальных пленок. С обычными герметичными лабораторными источниками только сильно рассеивающие материалы можно исследовать в рассматриваемой геометрии. Для хорошего отношения сигнала к шуму желательно, чтобы было несколько нанометров материала. При использовании источников синхротронного излучения можно изучать структуру фракций монослоев даже относительно слабо рассеивающих материалов.

На рис 12. Показан эффект подавления рефлексов подложки при использовании геометрии скользящего пучка в сравнении со стандартной q-2q геометрией.

Рис. 12 Подавление рефлексов подложки при использовании геометрии скользящего пучка