Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
УДК 535.34 Турьянский Александр Георгиевич РЕНТГЕНОВСКАЯ РЕФРАКТОМЕТРИЯ И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ СЛОИСТЫХ НАНОСТРУКТУР
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
01.04.05 - оптика Москва, 2008
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор А.В. Андреев.
доктор физико-математических наук Е.Н. Рагозин доктор физико-математических наук, профессор В.К. Чевокин
Ведущая организация:
РН - Курчатовский институт
Защита состоится л30 марта 2009 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета № Д 002.023.03 по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, 53, Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.
Автореферат разослан л____ ___________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор А.С. Шиканов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации представлены результаты исследования распространения и дисперсии рентгеновского излучения в поверхностных слоях твердого тела и слоистых наноструктурах, обоснованы и разработаны новые методы и направления рентгенооптической диагностики слоистых структур и рентгеновского спектрального анализа.
Актуальность темы.
Изучение параметров наноразмерных систем и разработка на их основе функциональных схем и новых материалов - основное направление современных научных исследований и развития технологий. В настоящее время в электронике и фотонике размер дискретных элементов схемной структуры снижен до величин менее 50 нм. В лабораторных условиях получены опытные образцы с дискретными элементами размером 10-20 нм и волноводы диаметром до 30 нм. Это свидетельствует о принципиальной возможности перехода на технологическую базу нового уровня и создания одноэлектронной и однофотонной схемотехники. На практике уже широко применяются технологии получения слоистых наноструктур с толщиной слоев вплоть до величин ~1 нм. Характерными примерами таких наноразмерных объектов являются носители информации на основе тонких магнитных пленок, полупроводниковые гетероструктуры, многослойные зеркала и монохроматоры для рентгеновского диапазона, защитные и изолирующие слои на поверхности полупроводников и металлов. Переход в наноразмерную область имеет принципиальное значение для повышения быстродействия, увеличения объема памяти, расширения спектрального диапазона рабочих частот и увеличения чувствительности электронной аппаратуры как гражданского, так и военно-технического применения.
Рентгенооптические исследования в субнанометровом спектральном диапазоне являются одним из наиболее информативных и однозначных способов определения параметров наноструктур. Это обусловлено тем, что используемые для диагностики спектральные линии известны с относительной точностью до 10-3-10-4%, а величины комплексных атомных факторов рассеяния табулированы и вне области аномального рассеяния практически не зависят от внешних воздействий, типа кристаллической структуры и концентрации дефектов.
Однако на практике для измерения параметров слоистых структур пока широко применяется только рентгеновская рефлектометрия. Хотя сейчас уже имеется обширная научная литература, посвященная теории и практике рентгеновской рефлектометрии, тем не менее, ряд принципиальных задач, связанных с реконструкцией структуры объекта по угловой зависимости коэффициента отражения или угловой диаграмме рассеяния, обычно удается удовлетворительно решить для сравнительно простых случаев.
Это обусловлено главным образом неоднозначностью экспериментальных результатов измерения коэффициента отражения от образца конечного размера при малых углах скольжения. В то же время в теоретических моделях и алгоритмах обычно рассматриваются идеализированные условия падения плоской волны на неограниченную границу раздела отражающих сред, и поэтому решение обратных задач в таком случае является некорректным.
К настоящему времени остаются также практически не изученными особенности распространения и рефракции рентгеновского излучения при прохождении через слоистые наноструктуры. Как показывают оценки, такие измерения могут дать важную дополнительную информацию о параметрах слоев и границ раздела, обеспечить возможность локальных измерений параметров.
Они также важны для понимания процессов распространения рентгеновского излучения в реальных слоистых средах с комплексным показателем преломления.
Поэтому экспериментальное исследование указанных процессов, их теоретическое описание и разработка методов измерений являются одной из актуальных проблем рентгеновской оптики и практической метрологии для неразрушающей диагностики наноструктур.
Другое важное научное направление - изучение быстропротекающих процессов в пико- и фемтосекундном временном интервалах. Исследования в этой области являются принципиально важными для понимания образования и разрушения межатомных и межмолекулярных связей, кинетики фазовых переходов, структурных и энергетических состояний при сверхвысокой плотности энергии, создаваемой импульсными источниками возбуждения. Для решения этой задачи в ведущих исследовательских центрах в настоящее время ведется разработка и строительство нового класса ярких импульсных источников рентгеновского излучения: лазеров на свободных электронах с перестраиваемым спектром и лазерно-электронных источников на основе эффекта обратного комптоновского рассеяния фотонов. Однако для проведения измерений в указанном временном интервале необходима новая аналитическая база. В частности, одной из наиболее актуальных проблем является создание дисперсионной рентгеновской оптики для определения спектров с высоким временным и энергетическим разрешением при высоких радиационных нагрузках, а также анализ спектров по единичному импульсу.
Научная новизна В настоящей работе впервые получены следующие научные результаты.
1. Исследованы дифракционные свойства тонкопленочных текстур из пиролитического графита и предложено их теоретическое описание в рамках статистической динамической теории рассеяния.
Создан новый тип монохроматоров для энергетического диапазона 5-кэВ в виде эшелона полупрозрачных пленок, обеспечивающий возможности пространственного совмещения рентгеновских пучков, селекции заданного набора спектральных линий и управления шириной полосы выделяемого спектра.
2. Проведен цикл исследований поверхностных слоев и многослойных наноструктур методом параллельных рентгенооптических измерений на флуоресцентных линиях К-серии спектра меди. Предложено общее решение калибровочной задачи для рефлектометрии скользящего падения и сформулированы условия корректного определения комплексного показателя преломления поверхностных слоев в рентгеновском диапазоне спектра. На основе полученных результатов разработаны метод относительной рентгеновской рефлектометрии и алгоритмы решения обратных задач для отношения коэффициентов отражения, измеренных в различных участках спектрального диапазона.
3. Исследованы закономерности рефракции и каналирования рентгеновских пучков в слоистых наноструктурах. Сформулированы условия экспериментального наблюдения рефракции и создана схема рентгеновского рефрактометра. В рамках кинематического приближения описаны основные особенности рефракции монохроматических рентгеновских пучков при их прохождении через границы раздела в средах с комплексным показателем преломления.
Рассмотрены процессы рассеяния излучения на дефектах границ раздела. На основе полученных результатов разработаны основы нового направления экспериментальной рентгеновской метрологии - аналитической рентгеновской рефрактометрии.
4. Экспериментально измерены угловые зависимости коэффициента пропускания рентгеновского потока через пленочную наноструктуру, включая область полного внутреннего отражения. При падении излучения со стороны подложки в указанных условиях впервые экспериментально наблюдался эффект туннелирования рентгеновских фотонов через рентгенооптический барьер. Показано, что величина коэффициент пропускания определяется участком порядка длины свободного пробега фотона в подложке, что позволяет проводить локальное исследование параметров слоистых структур.
5. Исследованы дисперсионные свойства призменных структур в жестком рентгеновском диапазоне. Впервые призменным методом измерены широкополосные эмиссионные спектры и спектры поглощения. Показано, что предельное энергетическое разрешение E рентгеновского спектрометра обусловлено фотопоглощением в материале призмы. Разработаны экспериментальные схемы, обоснованы условия измерения и предложены модели для расчета параметров спектрометра. На основе полученных результатов создано новое направление рентгеновского спектрального анализа - призменная рентгеновская спектрометрия.
6. Разработаны принципы импульсной спектрофотометрии высокого разрешения на основе рефракционной рентгеновской оптики.
Предложены экспериментальные схемы с использованием рентгеновского источника на основе обратного комптоновского рассеяния фотонов и рентгеновского лазера на свободных электронах для фундаментальных исследований атомарной и энергетической структуры вещества при сверхбыстрых процессах в фемто- и пикосекундном диапазонах.
Цели работы Основными целями настоящей работы являлись:
исследование прохождение монохроматического рентгеновского излучения через слоистые среды при скользящих углах падения, исследование дисперсии полихроматического рентгеновского излучения в призменных структурах, разработка моделей и методов решения обратных задач рентгеновской рефлектометрии и рефрактометрии для математического описания полученных результатов, создание на основе полученных результатов новых методов и систем неразрушающей диагностики наноструктур и анализа рентгеновских спектров для фундаментальных и прикладных исследований.
Объекты исследования В настоящей работе использовались экспериментальные образцы, полученные различными технологическими методами, в том числе: полупроводниковые гетероструктуры, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, слоистые наноструктуры полученные методом магнетронного распыления, лазерного и термического испарения, а также исходные подложки, обработанные методами механической и химико-механической полировки, ионного и плазменного травления, текстурированные пленки графита, полученные пиролизом и высокотемпературным прессованием.
Образцы были изготовлены в ведущих научных организациях и технологических компаниях, включая: Физический институт им. П.Н.
ебедева РАН, Университет им. Йоханеса Кеплера (Австрия), Московский государственный институт электронной техники (Зеленоград), УОсмикФ (США), Институт атомной и молекулярной физики (Голландия), Харьковский политехнический университет (Украина), Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, РН - УКурчатовский институтФ, Институт ядерной физики (Казахстан), УНИИграфитФ (Москва). В качестве эталонных объектов и подложек использовались промышленные образцы компаний Дженерал Оптикс (США), УЭлмаФ (Зеленоград) и ГН - УНПО АстрофизикаФ (Москва).
Достоверность полученных результатов подтверждена контрольными измерениями тестовых образцов с заданными параметрами, изготовленными в ведущих научных и технологических центрах, а также параллельными измерениями тест-объектов на разработанных экспериментальных установках и на сертифицированном аналитическом оборудовании.
Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Тонкопленочные текстуры из высокоориентированного пиролитического графита (ВПГ) являются новым типом полупрозрачных рентгеновских монохроматоров. Дифракционные свойства пленок ВПГ описываются в рамках статистической динамической теории рентгеновского рассеяния для гауссовой корреляционной функции угла поворота кристаллических блоков.
Структуры эшелонного типа на основе ВПГ представляют собой эффективную систему управления шириной полосы рентгеновского спектра и селекции заданного набора спектральных полос.
2. Относительная рентгеновская рефлектометрия - новый метод определения параметров слоистых наноструктур. Основные преимущества относительного метода - повышение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости отражающей среды и чувствительности к слабым возмущениям .
3. Угловые диаграммы рефракции рентгеновского излучения в пленочных структурах удовлетворительно описываются в рамках приближения плоских волн с экспоненциально меняющейся амплитудой в плоскости волнового фронта.
Основными факторами, определяющими вид угловой диаграммы рефракции в пленочных структурах, являются:
взаимодействие волн, рассеянных на дефектах поверхности и зеркально отраженных на границах раздела, фотопоглощение в материале пленки.
В слабо поглощающих пленках доминирующими факторами являются каналирование излучение в пленочной структуре и резкая угловая анизотропия коэффициента отражения.
4. Параметры наноразмерной слоистой структуры, образующей рентгенооптический барьер, могут быть определены путем прямой регистрации потока рентгеновских фотонов, туннелирующих через барьер. При этом достигается предельное пространственное разрешение измерений, которое определяется величиной коэффициента фотоэлектрического поглощения в подложке.
5. Призменные структуры на основе оптически полированных монокристаллов из материалов с низким атомным номером - новый тип диспергирующих систем высокого разрешения для анализа рентгеновских спектров.
Энергетическое разрешение призменного рентгеновского спектрометра ограничено дифракционным пределом, обусловленным фотопоглощением излучения в материале призмы.
Призменная спектрометрия обеспечивает возможность измерения тонкой структуры спектров направленных рентгеновских пучков по единичному импульсу, а также исследование поляризационных эффектов. Указанные аналитические возможности могут быть использованы при исследовании быстропротекающих процессов возбуждения и релаксации и по существу не имеют альтернативы.
Апробация результатов работы Результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях.
Первая национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ), Москва-Дубна, 25-29 мая, 1997.
Всероссийская научно-техническая конференция Микро- и наноэлектроника - 98. Звенигород, сент., 1998.
Национальные конференции РСНЭ, Москва, 23-27 мая, 1999, РСНЭ, Москва, 21- 25 мая 2001.
Рабочее совещание Рентгеновская оптика. Нижний Новгород, март, 1999 г.
Рабочее совещание Нанофотоника. Нижний Новгород, март, 1999 г.
3-я Международная научная конференция "Электроника и информатика - XXI век". Москва, Зеленоград, ноябрь, 2000 г.
Российская конференция по физике полупроводников, Нижний Новгород, сентябрь, 2001 г.
SPIE's 44th Annual Meeting and Exhibition, July 1999, Delaver, USA.
5-th Biennial Conference on High Resolution X-ray Diffraction and Topography, 13-15th September 2000, Ustron-Jaszowiec, Poland.
10-th International Conference on Modulated Semiconductor Structures MSS10, July, 2001, Linz, Austria.
International Symposia: Roentgen's Heritage. Quantum Hall Effect and Heterostructures. December, 2001, Wuerzburg, Germany.
5-th ISTC Seminar Nanotechnologies in the Area of Physics, Chemestry and Biotechnology. S-Petersburg, Russia, May, 2002.
Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures. Chamonix Mont-Blanc, France, March, 2002.
Рабочее совещание Рентгеновская оптика, Нижний Новгород, март, 2003.
IV Международная конференция Ядерная и радиационная физика, Алматы, Казахстан, 15-17 сентября, 2003.
Рабочее совещание Рентгеновская оптика, Нижний Новгород, май, 2004.
X-Ray and Neutron Capillary Optics II, Zvenigorod, Russia, September 22-26, 2004.
18th International Conf. on X-ray optics and microanalysis ICXOMXVIII, Frascati, Italy, Sept. 25-30, 2005.
X Симпозиум Нанофизика и наноэлектроника, Нижний Новгород, 13-17 марта, 2006 г.
European Conference on X-Ray Spectrometry EXRS-06, Paris, France, June 19-23, 2006.
VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ), Москва, 12-17 ноября, 2007 г.
VI Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 6-10 октября, 2008 г.
2-я Всероссийская конференция Физические и физико-химические основы ионной имплантации, Казань, 28-31 октября 2008 г.
Результаты работы также неоднократно докладывались на регулярных научных семинарах в отделениях физики твердого тела и квантовой радиофизики ФИАН им. П.Н. Лебедева, Центра волоконной оптики ИОФАН им. А.М. Прохорова, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Физико-технологического института РАН, синхротронного центра DESY (Гамбург, Германия).
ичный вклад соискателя Все представленные в работе результаты получены лично автором либо путем формулирования плана исследований и координации измерений в процессе их проведения. Непосредственное участие в работе заключалось в постановке задач исследования, разработке схем эксперимента, создании экспериментальных установок, обработке полученных данных, формулировании физических моделей, математическом описании обнаруженных закономерностей и подготовке научных публикаций. Все алгоритмы решения обратных задач рентгеновской рефрактометрии и призменной спектрометрии, а также компьютерные программы для их реализации составлены лично автором.
Практическая значимость.
Полученные в работе результаты в настоящее время уже используются на практике для исследования квантоворазмерных гетероструктур, ионно-имплантированных образцов, пленочных и многослойных структур, полученных методами магнетронного распыления, а также для контроля качества обработки подложек из полупроводниковых материалов и оптических дисков. Указанные работы выполнялись в рамках фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных РФФИ, INTAS, CRDF, а также по заказам организаций. По предложенной автором схеме при поддержке фирмы Unisantis S.A. (Швейцария) был спроектирован и изготовлен опытный образец рентгеновского рефлектометра, обеспечивающий возможность одновременной регистрации данных на трех спектральных линиях.
1. Разработанный метод призменной рентгеновской спектрометрии может быть использован в первую очередь для регистрации спектров поглощения при облучении образцов направленным квазимонохроматическим рентгеновским пучком. В настоящее время, в частности, обсуждается возможность установки призменного спектрометра на аналитическом канале рентгеновского лазера на свободных электронах по проекту XFEL для исследования быстропротекающих процессов. Другим возможным применением призменного спектрометра является экспрессное картирование (mapping) распределения химических элементов в образце.
2. Разработанный метод относительной рентгеновской рефлектометрии уже используется на практике для измерения параметров слоистых наноструктур, исследования качества обработки сверхгладких поверхностей и многослойных структур.
Рефракционная схема формирования плоских субмикронных рентгеновских пучков, рассмотренная в гл. 5, обеспечивает возможность послойного анализа структуры и элементного состава.
3. Предложенные схемы совмещения и развертки рентгеновских пучков на базе полупрозрачных рентгеновских монохроматоров могут быть использованы в медицинской диагностике для повышения контраста деталей внутренней структуры объектов. Разработанные схемы обеспечивают возможность регистрации изображений в узких полосах спектра. Это позволяет реализовать наиболее эффективный метод контрастирования с использованием вычитания изображений, полученных при энергиях E1 Отмеченные достижения Премия Международной академической издательской компании (МАИК) за серию публикаций по экспериментальным методам рентгеновской оптики, 2002 г. Диплом международного салона Архимед-2003 за разработку Двухволновой рентгеновский рефлектометр для диагностики наноструктур. Публикации Основные результаты работы опубликованы в российских журналах: Журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал технической физики, Поверхность, Приборы и техника эксперимента, Российские нанотехнологии, Физика и техника полупроводников, Физика твердого тела, Успехи физических наук, Russian Laser Research, а также в зарубежной периодике: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A, Physica Status Solidi (a), Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Proceedings of the International Society for Optical Engineering. Экспериментальные схемы защищены патентами РФ и патентом США. Перечень публикаций автора приведен в конце диссертации и в автореферате. Основное содержание работы Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 306 страницах и содержит 161 рисунок, 13 таблиц и 389 ссылок. В главе 1 дан обзор научных публикаций по теме диссертации. В з 1.1 основное внимание уделяется условиям корректности рентгенооптических измерений и однозначности определения действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления n исследуемых сред. Анализируется вклад электронной и ядерной подсистем в диэлектрическую проницаемость среды и возможность практического использования соотношения КрамерсаКронига. Рассматривается общий подход к описанию рентгенооптических свойств среды, обеспечивающий определение спектральной и угловой зависимостей показателя преломления с помощью атомного фактора рассеяния. Приведены наиболее важные теоретические и экспериментальные результаты исследования спектральной зависимости n в широком спектральном диапазоне, включая области аномального рассеяния, XANES, XAFS и область мёссбауэровских резонансов. В первой части з 1.2 проведен анализ основных схем измерения, используемых в рентгеновской рефлектометрии. Во второй части параграфа рассмотрены основные методы решения обратных задач рентгеновской рефлектометрии и модели границ раздела. Отмечены ограничения, связанные с использованием при численных расчетах параметров многослойных структур формализма Паррэта. В з 1.3 дан обзор работ по рентгеновской рефрактометрии. В заключительном разделе главы рассмотрены основные направления работ в области фокусирующей рентгеновской оптики. Анализируются предельные возможности локализации рентгеновских фотонов и принципиальные ограничения, обусловленные дифракционным пределом и связанные с соотношением неопределенности Гейзенберга. Обсуждается применение фокусирующих элементов для решения метрологических задач рентгеновской рефрактометрии и рефлектометрии. В главе 2 представлены результаты исследования свойств полупрозрачных монохроматоров (ПРМ) рентгеновского излучения. В з 2.1 рассматриваются общие свойства ПРМ и вводятся критерии полупрозрачности и эффективности. Показано, что с практической точки зрения наибольший интерес представляют ПРМ, удовлетворяющие в спектральном диапазоне () требованию, (1) Q(,B ) R(B,B ) T (,B ) где B,B- длина волны и угол, при которых выполняется брэгговское условие дифракции, R, T - соответственно коэффициенты отражения и пропускания монохроматора, B. 0, T(1, )+R(2, )=1,R, T B B 0,0, HOPG 0,t=73 m 0,0, =0,139 nm =0,154 nm 0,0,0,0,10 11 12 13 14 B , degr Рис. 1. Угловые зависимости коэффициентов отражения R и пропускания T для ПРМ из пирографита толщиной 73 мкм. T( ) R( ) Монохроматоры, удовлетворяющие (1), рассматриваются как эффективные. На рис. 1 показаны экспериментальные угловые зависимости коэффициентов отражения R и пропускания T для эффективного ПРМ из пирографита толщиной 73 мкм для спекральных линий CuK, CuK. В з 2.2 излагаются результаты экспериментального исследования дифракционных характеристик тонкопленочных текстур из пиролитического графита. В з 2.3 показано, что угловые зависимости коэффициентов отражения и пропускания указанных объектов описываются в рамках статистической динамической теории рассеяния. В з 2.4 исследуется другой тип ПРМ - решетчатые монохроматоры. В заключительном разделе главы 2 рассматриваются экспериментальные схемы управления рентгеновскими пучками с помощью ПРМ, представленные на рис. 2 a-d. С помощью схемы 2a проводится последовательная селекция спектральных линий из полихроматического пучка путем настройки пластин на заданные брэгговские углы. Схема 2b обеспечивает совмещение пучков от различных источников, генерирующих спектральные линии 1 вдоль заданного направления, показанного сплошной стрелкой. Путем разворота ПРМ на малый угол относительно среднего брэгговского положения схема 1с позволяет регулировать ширину спектральной полосы дифракционного отражения. a b M M1 3 M1 M2 c M4 d MM1 M1 1 2 Рис. 2. Схемы управления рентгеновскими пучками с помощью ПРМ. Путем выбора соотношений Ri и Ti расположение по схеме d обеспечивает пространственную развертку пучка с распределением интенсивности в дифрагированном пучке по заданному закону. В главе 3 изложены результаты исследования поверхностных и многослойных структур методами двухволновой и относительной рентгеновской рефлектометрии. В з 3.1 дано описание впервые разработанной рентгенооптической схемы двухволнового рентгеновского рефлектометра на базе ПРМ (рис. 3). Монохроматоры SM, M предварительно настраиваются на заданные линии K-серии спектра, генерируемые излучателем, например CuK, CuK. Первый по ходу анализируемого пучка монохроматор SM является полупрозрачным и настраивается на более мягкую линию K. При угле дифракции B на линии K для коэффициента пропускания ПРМ для смежной линии K выполняется условие T>0,850,90. Монохроматор М выделяет 2-ю спектральную линию, интенсивность которой регистрируется независимым детектирующим каналом. Таким образом, RS 2 DS1 SST SM M O BS 1 S3 DSSP XT RT Рис. 3. Экспериментальная схема двухволнового рефлектометра: XT - рентгеновский излучатель, S1,S2 - коллимационные щели, SP - образец, BS - подвижный коллимирующий экран, T - устройство перемещения экрана, S3-S5 - приемные щели, SM, M - полупрозрачный и объемный монохроматоры, D1, D2 - детекторы излучения, O- ось вращения, RT- поворотный стол, RS-поворотный кронштейн. обеспечивается принципиально новая аналитическая возможность - параллельные измерения характеристик образца в различных участках спектрального диапазона. Калибровочная задача. Известно, что при малых углах скольжения 0 Как показано в з 3.2, калибровочная задача рентгеновской рефлектометрии может быть корректно решена при переходе к относительным измерениям. Пусть P1(x,y,z) и P2(x,y,z) - парциальные распределения плотности потока в нормальном сечении полихроматического пучка, падающем на образец, на длинах волн 1, 2 вне области аномального рассеяния; x, y - координаты в нормальном сечении, z - расстояние от фокуса до плоскости сечения. Допустим, что в общем случае функции распределения неизвестны, однако в любой точке сечения выполняется условие подобия P1(x,y,z)/P2(x,y,z)=сp=const. Тогда при любом угле скольжения >отношение отраженных от поверхности образца интенсивностей сигнала справедливо R I (,1) R(,1), (2) R I (,2) cpR(,2) где R(1), R(2) - истинные угловые зависимости коэффициента отражения на выбранных спектральных линиях. Подчеркнем, что относительный метод базируется на следующем важном утверждении: если показатель преломления n определен для некоторой спектральной линии вне области аномального рассеяния, то по табулированным данным он может быть определен и для любой спектральной линии вне области аномального рассеяния. Причем указанное утверждение справедливо как действительной, так и для мнимой частей n. Устранение ошибок, связанных с дрейфом параметров источника излучения достигается при использовании для генерации спектральных линий переходов между 1s и 2p, 3p-состояниями одного и того же материла. Вероятности переходов между указанными состояниями, в процессе которых излучаются спектральные линии Ксерии, является константами для каждого материала. Поэтому любые изменения параметров источника не оказывают влияния на точность измерения в относительном режиме в пределах статистической ошибки счета квантов при условии le В з 3.3, 3.4 представлены результаты экспериментального исследования наноразмерных окисных слоев и многослойных структур методами относительной и двухволновой рефлектометрии. R / R 6 1. GaAs oxide - GaAs (experim) 2. GaAs oxide - GaAs (calc) 3. GaAs (calc) 4 =3,3 g/cm t=3,1 nm 3 , degr 0,25 0,50 0,75 1,00 1,Рис. 4. Угловые зависимости отношения коэффициентов отражения на спектральных линиях CuK, CuK от подложки монокристалла GaAs с окисным слоем: 1 - эксперимент (ломаная линия), 2, 3 - расчет соответственно для структуры окисный слой подложка, неокисленная подложка (пунктир). Для численного решения обратной задачи использовалась функция невязки вида calc exp {Yk } )[ f (i,{Yk }) f (i )]2 (3) w(i i где {Yk} Цнабор параметров, характеризующих слоистую структуру, i - дискретный угол скольжения, w(i) - весовая функция, fcalc, fexp - соответственно расчетные и экспериментальные величины коэффициента отражения R или отношения указанных величин для двух спектральных линий. В общем случае w(i) является функцией статической ошибки счета I и фонового сигнала B. Отметим, что при i0 и при i>>c значения wi минимальны, поскольку соответственно освещенность поверхности и коэффициент отражения стремятся к нулю. В диапазоне регистрируемых сигналов Ite104 фот., где te - время экспозиции, относительная статистическая ошибка Ite/ Ite0.01 и при расчетах может быть принято w(i)=1; вне доверительного интервала при I+B>Ite полагалось, что w(i)0 и значения fcalc, fexp игнорировались. M o-Si/Si bilayer R(K )/R(K ) 0, 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,2, deg Рис. 5. Экспериментальная и расчетная угловые зависимости отношения коэффициентов отражения R(CuK)/R(CuK) для бислоя Mo-Si на подложке Si. Измеренные параметры структуры: d(Si)=960 , d(Mo)=88 , параметры размытия границ раздела: Mo-подложка 1=1,8 , внешняя граница 2=8 . R M o - S i / S i 0,2 0 b i l a y e r s 0, 0 = 0, 1 5 4 n m 1 E - 1 E - 1 E - 1 E - 1 E - 0 2 4 6 8 1 0 1 2 , d e g r Рис. 6. Экспериментальная и расчетная (непрерывная линия) угловые зависимости коэффициента отражения R(CuK) для многослойной структуры Mo-Si на подложке Si. Подгоночные параметры структуры: d=69,2 , dMo /d=0,46, средний параметр размытия границ раздела =3, (1,6 i4 ). На рис. 5, 6 приведены результаты измерений и компьютерного расчета с использованием функции невязки (3) для бислоя Mo-Si и многослойной структуры Mo-Si/Si (20 бислоев). В з 3.5 показана возможность измерения параметров дискретных слоистых структур. Разобьем исследуемую поверхность на участки равной площади S, в центре которых находится локальная пленочная структура. Будем полагать, что S Формально величина q задана технологически, например, геометрическими размерами маски. Однако в силу конечной ширины пучка и размера образца плотность потока и отношение Sf /S для краевых зон может резко меняться. Поэтому при математической подгонке данных необходимо также варьирование величины q. На рис. 7 приведены впервые полученные данные рентгеновской рефлектометрии дискретной пленочной структуры Ta2O5 и результаты математической обработки по изложенной схеме. Пленка наносилась на подложку Si(100) методом магнетронного напыления Та через маску с размерами окон ~1 мм. Среднее расстояние между окнами составляло 3,5 мм. Технологически заданная толщина пленки Та - 16 нм, окисление происходило при взаимодействии с воздушной средой. Если в используемом спектральном диапазоне длин волн 2() >>2, 1>2 и |1-2|/10,1, то можно показать, что 1-й и 2-й локальный максимумы отношения R(2)/R(2) будут в пределах точности измерений совпадать со значениями критических углов ПВО для материалов подложки и дискретного покрытия. Это позволяет по их угловым координатам проводить первичную идентификацию материалов покрытия подложки. Как видно из сравнения, расчетные положения 2с(Si) и 2с(Ta2O5), которые обозначены стрелками на рис. 7, удовлетворительно совпадают с измеренными положениями двух первых локальных максимумов. Подчеркнем, что предложенный метод измерения и алгоритмы обработки неприменимы, если сформированная структура создает интенсивное дифракционное рассеяние или в силу малости размера участков S коэффициент отражения не может быть корректно определен из формул Френеля. Поэтому на практике применение относительной рефлектометрии наиболее перспективно для исследования дискретных структур в виде контактных дорожек, приборных линеек, оптических окон, создаваемых напылением, литографическими методами или ионной имплантацией. R /R Ta2O Si 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,2, degr Рис. 7. Угловые зависимости отношения коэффициентов отражения на спектральных линиях CuK, CuK от дискретной пленочной структуры Ta2O5/Si (сплошная линия - расчет с использованием соотношения (4). Граница раздела жидкость - твердое тело (Ж-ТТ). Большой научный и практический интерес представляют процессы химического взаимодействия и структура границы Ж-ТТ. В случае несмачивающих жидкостей для получения сплошного стационарного во времени покрытия и минимизации влияния краевых эффектов, обусловленных искривлением поверхности жидкости вследствие поверхностного натяжения, толщина жидкого слоя dl должна быть >0,1 мм. При облучении через внешнюю поверхность для углов скольжения рентгеновского пучка <10 мрад и энергии фотонов E~10 кэВ излучение практически не достигает подложки даже при прохождении через жидкости из органических материалов, и поэтому для исследования внутренней границы используются методы нейтронной оптики. В заключительном параграфе главы 3 описана экспериментальная схема рентгеновской рефлектометрии, позволяющая решить указанную проблему в рентгеновском диапазоне. Сущность предложенного подхода заключается в следующем. С помощью плоскопараллельных пластин формируется канал, шириной d=200-300 мкм. Одна из пластин канала является исследуемой подложкой. На окна канала наносится лиофильное покрытие. Длина канала L выбирается из условий Lsinm В предложенной схеме рентгеновский пучок вводится в жидкость через боковое окно ячейки, причем угол падения на нее не превышает 2-3о. Поэтому преломлением на входном окне можно пренебречь, и рассматривать падение пучка на подложку из жидкости. В этом случае для коэффициента отражения R необходимо перейти к относительному показателю преломления ni,L, для которого в рассматриваемом энергетическом диапазоне выполняется приближение ni, (5) ni,L 1 (i ) i(i L ) L nL где i, L и ii, iL - соответственно действительная и мнимая части декрементов показателя преломления для iЦго слоя и жидкости. На рис. 8 приведены впервые полученные экспериментальные угловые зависимости коэффициента отражения от границы раздела дистиллированная вода-кремний на линиях CuK)=0,154 нм и CuK)=0,139 нм. Расчетные кривые (непрерывные линии) построены с использованием рекуррентных соотношений для R в слоистой структуре для ni,i+1, определяемого согласно (5). R, R / 0,0,1E-2 ( ) 2 ( ) c c 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,2,deg Рис. 8. Угловые зависимости коэффициента отражения от границы раздела вода-кремний для линий CuK (1) и CuK (2): эксперимент (точки), расчет (непрерывные линии). Измеренная величина , характеризующая размытие границы раздела и шероховатость, для обеих спектральных линий составляет 0,нм. Расчетные величины критического угла полного внешнего отражения c и экспериментальные значения, определяемые по точке перегиба кривых R(2), совпадают с точностью 0,5%. Предложенная экспериментальная схема существенно расширяет аналитические возможности рентгеновской рефлектометрии, обеспечивая измерения in situ параметров нового типа объектов - внутренних границ раздела Ж-ТТ как для несмачивающих, так и смачивающих жидкостей. Это позволяет исследовать процессы химического взаимодействия на границе раздела и роста пленок из жидкой фазы. Важными преимуществами канальной схемы являются также возможности проведения измерений как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, а также создания между стенками канала постоянного градиента температуры и равномерного распределения напряженности электрического поля. Результаты измерения, полученные при заполнении канала раствором хлорида Ni различной концентрации, свидетельствуют о возможности решения принципиально важного вопроса - создания рентгенооптических иммерсионных сред для избирательного исследования границ раздела и поверхностных слоев. В главе 4 обоснован метод рентгеновской рефрактометрии. В з 4.1 рассмотрены особенности рефракции для комплексного показателя преломления. В з 4.2 описаны основные схемы рентгеновской рефрактометрии, реализованные на базе двухволнового рефлектометра. В з 4.3- 4.5 представлены результаты экспериментальных исследований преломления монохроматического излучения в однородных, пленочных и многослойных структурах. На рис. 9 показаны впервые полученные угловые диаграммы рефракции от пленочных наноструктур в виде бислоя Ni-C на подложке Si. Облучение проводилось через боковую поверхность со стороны подложки (<0). Пленки наносились методом термического испарения. Определенные по угловому положению пиков рефракции величины показателя преломления соответствуют табличным данным для 4 0 I, a.u. C 3 0 N i 2 0 C 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,, d e g r Рис. 9. Рефрактограмма бислоя C-Ni (36/110 нм) на подложке Si при 1=0,053o:1 - CuK, 2 - CuK. графита и никеля. Вследствие эффекта ПВО на границе раздела Si-Ni пик рефракции от подложки отсутствует. Si C I, pps I, p ps 10Si C 1 00 0 b 510 0,06 0,12 0,18 , degr 1 a 0, , d eg r 0,1 0 0,1 5 0,2 0 0,25 0,30 0,3 Рис. 10. Угловая диаграммы рассеяния при рефракции в структуре пленка СЦSi (подложка): a - интерференционная структура на крыле рассеяния: 1 - эксперимент, 2 - расчет; b - пики рефракции от пленки С и подложки Si (линейный масштаб), толщина пленки 55 нм, =0,154 нм. В з 4.6 рассматриваются особенности рассеяния при рефракции в пленочной структуре. В качестве примера на рис. 10 показана угловая диаграмма интенсивности при рефракции в структуре пленка СЦSi (подложка) при фиксированном угле скольжения =0,14o. Напыление пленки производилось лазерным испарением мишени. По данным рефрактометрии (рис. b) плотность пленки (3,2 г/см3) близка к плотности алмаза. Как показывает анализ данных, условием появления осцилляций на угловой диаграмме интенсивности является рассеяние излучения на внешней границе раздела. Интерференционная картина возникает в результате взаимодействия рассеянной и зеркально отраженной на внутренней границе раздела волн. Сплошной линией на рис. 10a показана расчетная кривая. Рассчитанная толщина пленки по осцилляциям диаграммы (54,5 нм) хорошо совпадает с данными рентгеновской рефлектометрии (55 нм). В з 4.7 показано, что при рефракции в однородных средах вблизи края призменной структуры формируются пучки с экспоненциальным распределением амплитуды волны в плоскости волнового фронта. Исследуется свойства указанных пучков и анализируется возможность формирования сверхтонкого рентгеновского зонда. Экспериментальные измерения проводились на образцах плавленого кварца, алмаза, монокристаллах GaAs, Si, ZnSe. Результаты измерений угловой диаграммы интенсивности и расчетные кривые при рефракции на краю оптически полированной пластины GaAs для спектральной линии CuK показаны на рис. 11. Измеренная ширина на полувысоте рефракционного пика при угле скольжения 1 = 0,403о (1,30c) была равна 0,034о. При указанной величине 1 эффективная ширина преломленного пучка на выходе из боковой грани, определяемая как величина, численно равная 0,693ze, составляла 81,1 нм, где ze - расстояние по нормали от преломляющей поверхности, при котором интенсивность излучения в пластине уменьшается в е раз. 1,I, a.u. 1,0,0,0,0,0,-0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,, degr Рис. 11. Угловые диаграммы интенсивности для линии CuK в дальней зоне при ze =117 нм: 1 - дифракция на щели шириной d=0,69 ze, 2, 3- рефракции на краю пластины GaAs, эксперимент и расчет соответственно. Для рассматриваемого случая расчетный угловой профиль преломленного пучка в дальней зоне был получен с помощью дифракционного интеграла Кирхгофа-Френеля при следующих предположениях: толщины окисного и шероховатого слоев пренебрежимо малы по сравнению с характерной глубиной ослабления ze, поверхность скола пластины GaAs перпендикулярна преломляющей грани. Интегрирование амплитуды электрического поля производилось по поверхности, образованной плоскостями, перпендикулярными падающему и преломленным пучкам. Линия пересечения указанных плоскостей совпадала с ребром пластины, образованным преломляющей и выходной гранями. При указанных предположениях расчетная полуширина углового профиля преломленного пучка для линии CuK при 1 = 1,30c. для параллельного пучка и с учетом расходимости составляли соответственно 0,016о. Полученный результат согласуется с экспериментом при введении обобщенной функции размытия, характеризующей как реальную геометрию преломляющей поверхности, так и параметры измерительной системы. Функция размытия может быть определена при углах скольжения, для которых ze/~104, и для рассматриваемого случая ее ширина на полувысоте составляет 0,22о. Для сравнения приведен пример углового распределения интенсивности для щелевой диафрагмы шириной d=81,1 нм (кривая 3). В главе 5 приведены результаты исследования прохождения рентгеновских пучков через тонкую пленку при облучении через боковую поверхность со стороны подложки. Показано, что скачок декремента показателя преломления может рассматриваться как рентгенооптический барьер. Представлены впервые полученные результаты экспериментального наблюдения туннелирования рентгеновских фотонов через наноразмерную пленку в условиях полного внутреннего отражения. Рентгенооптический барьер шириной 18,5 нм был сформирован пленкой дисилицида никеля (NiSi2), осажденной с помощью магнетронного распыления на поверхности оптически полированной подложки Si (см. рис. 12). При облучении через боковую поверхность скола при отрицательном угле скольжения пучок падает изнутри из Si на границу раздела Si/NiSi2. Критический угол ПВО c для указанной границы раздела на линиях CuK и CuK равен соответственно 0,31о и 0,28о. Результаты измерения угловых диаграмм интенсивности I(), прошедшего через образец излучения при фиксированном угле скольжения первичного пучка 1 =0.265о, представлены на рис. 13; 2, (z)x12,1,1 2 1,0,n=1 (air) NiSi2 NiSi2 Si 0,oxide z, nm -10 -5 0 5 10 15 20 25 Рис. 12. Рентгенооптический барьер: 1 - область выхода излучения (воздух), 2, 3 - барьерная область шириной 18,5 нм; 4 - область входа излучения (подложка Si). I (a.u.) RrNiSi2/Si 1=0.265o T1. = 0,154 nm 25 2. = 0,139 nm T Rr0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 (degr) Рис. 13. Угловые диаграммы интенсивности прошедшего через образец излучения в условиях ПВО на границе Si/NiSi2 при угле скольжения первичного пучка 1=0.265о; 1 - линия CuK, 2 - CuK. Пики туннелирования на рис. 13 для двух длин волн обозначены T1, T2. Особенности угловых диаграмм туннелирования заключаются в том, что их угловая ширина и интенсивность слабо зависят от величины коэффициента поглощения в пленке. Рассмотрена возможность решения обратной задачи: определение параметров слоя по угловой зависимости потока туннелирующих фотонов и преимущества указанного варианта метрологии. Показано, что измерение потока туннелирования позволяет достичь при измерении толщины пленки предельного пространственного разрешения ~ 1/f, где f - линейный коэффициент фотоэлектрического ослабления в материале подложки. В главе 6 обосновано новое направление рентгеновского спектрального анализа - призменная рентгеновская спектрометрия. В з 6.1, 6.2 рассмотрены дисперсионные свойства призменных структур и влияние на дисперсионные характеристики материала призмы. Показано, что на практике оптимальными диспергирующими свойствами обладает прямоугольная призма с выходной преломляющей гранью. Для указанного типа призм получено следующее выражение, описывающее угловую дисперсию для параллельного рентгеновского пучка 2g (6) D(,) d2 / d 12 2gгде 2 - угол преломления, g - размерный коэффициент, который является константой для каждого химического элемента, физическая плотность материала призмы, 1 - угол скольжения первичного полихроматического пучка. Как видно из (6), при углах скольжения 1 0 угловая дисперсия максимальна. При этом дисперсия D и не зависит от . При углах При 12 >> 2gвеличина D(,) изменяется приблизительно пропорционально и В з 6.3 описана схема призменного рентгеновского спектрометра (рис. 14). В качестве диспергирующего элемента использовалась оптически полированная призма из природного алмаза. Особенностью разработанной схемы является применение двух независимых гониометров (5, 11). При этом угловая точность в области малых углов возрастает в (L1,2+R2)/R2, где L1,2 - расстояние между осями вращения гониометров, R2 - расстояние от оси О2 до приемной щели гониометра 11. O1 O2 12 5 Рис. 14. Схема призменного рентгеновского спектрометра: 1 - рентгеновская трубка; 2, 3 - коллимационные щели; 4 - исследуемый образец; 5,11 - гониометры; 6 - алмазная призма; 7 - поглощающий экран; 8 - монохроматор; 9,12 - приемные щели; 10,13 - сцинтилляциионные детекторы излучения; 14 - вакуумный коллиматор. CuK 16 CuK 141210 8Br K-jump 6 42-20,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, (deg) Рис. 15. Угловые зависимости интенсивности преломленного излучения I(): 1- до введения образца бромнафталина (C10H7Br), 2- после введения, 3 - нормированная производная dI/d для зависимости 2. I (arb.un.) В з 6.4, 6.5 представлены результаты экспериментального исследования эмиссионных спектров и спектров поглощения. На рис. 15 показан впервые полученный методом призменной спектрометрии спектр поглощения бромнафталина (C10H7Br). Жидкий образец C10H7Br помещался перед алмазной призмой, спектр излучения регистрировался сцинтилляционным детектором 13, установленном на расстоянии 135 см от входной грани призмы. Толщина сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) составляла 1 мм, что обеспечивало эффективность регистрации не менее 90% во всех полосе измеряемого спектра. С помощью призменной схемы, представленной на рис. 14, были впервые измерены также эмиссионные спектры. В качестве примера на рис. 16 показан спектр рентгеновской трубки с Cu анодом при напряжении 30 кВ. Достигнутое энергетическое разрешение в диапазоне энергий 8-9 кэВ составляет 97 эВ, что значительно превосходит теоретический энергетический предел разрешения для полупроводниковых спектрометров. dN(E)/dE 7CuK CuK 5 Cu anode U=30 kV 25000 10000 15000 20000 25000 30000 350E, eV Рис. 16. Реконструированный энергетический спектр рентгеновской трубки с медным анодом: угол выхода пучка =5о, напряжение - 30 кВ, расстояние фокус - детектор 135 см (измерение в воздухе). В конце главы 6 анализируются предельные характеристики призменного рентгеновского спектрометра и возможности его применения для анализа спектров быстропротекающих процессов и тонкой структуры спектров поглощения в XAFS-диапазоне. В главе 7 даны примеры практической реализации разработанных методов и рассмотрены перспективы создания аналитических систем нового поколения. В з 7.1 описан опытный образец двухволнового рентгеновского рефлектометра (рис. 17), разработанного при финансовой поддержке фирмы Unisantis S.A. (Швейцария). Рефлектометр, построенный по запатентованной экспериментальной схеме, подробно описанной в гл. 3, обеспечивает возможность исследования образцов в следующих аналитических режимах: рефлектометрия, рефрактометрия, дифрактометрия, малоугловое рассеяние, локальный флуоресцентный анализ, измерение спектров поглощения. В спектрометрических Рис. 17. Многофункциональный рентгеновский рефлектометр. режимах применяется энергодисперсионный полупроводниковый детектор с двухкаскадной системой охлаждения на основе элементов Пельтье. На рис. 18 представлены результаты сравнительных испытаний разработанного рефлектометра и новой аналитической системы DDiscover (Bruker), в которой используется параболическое зеркало Гёбеля и монохроматор двукратного отражения для формирования рентгеновского пучка. В качестве образца использовалась многослойная наноструктура ZnTe-Ti/Si с периодом d=2,6 нм, полученная методом магнетронного распыления. Измерения проводились при аналогичных временах экспозиции в выбранных угловых точках, мощность излучателя Bruker D8 и Unisantis составляли соответственно 1600 и 280 Вт. Стрелками показаны дополнительные интерференционные пики вблизи брэгговских отражений 1-го и 2-го порядков B1, B2, обнаруженные с помощью разработанной системы. I, pps S1 S2 B1 ZnTe-Ti/Si 10000 11 periods B10SS1 2 3 4 5 6 7 2, degr Рис.18. Угловые зависимости коэффициента отражения от многослойной структуры ZnTe-Ti/Si на спектральной линии CuK: 1 - разработанная схема, 2 - серийная аналитическая система D8 Discover (Bruker). Для удобства сравнения зависимость (1) смещена на один порядок вверх по оси ординат. Отношение пик-долина, измеренное в 1-м максимуме и минимуме справа от брэгговского пика B1, в 5,5 раз превышало аналогичный параметр по сравнению данным D8 Discover, а измеренная интенсивность в брэгговских максимумах в 2 раза. Полученные результаты свидетельствуют о существенном превосходстве разработанной нами рефлектометрической схемы по угловому разрешению и светосиле. В з7.2 рассмотрены схемы регистрации цифровых рентгеновских проекций. Описан проекционный рентгеновский микроскоп для исследования биологических объектов, разработанный при поддержке фонда CRDF (США) и фирмы Unisantis S.A. Разработанный метод контрастирования путем вариации спектра падающего излучения и последующего вычитания цифровых проекций. В качестве иллюстрации приведены примеры изучения внутренней структуры биологических и промышленных объектов. На проекциях A, C (рис. 19) показаны стандартные проекционные изображения, зарегистрированные с помощью двухкоординатного детектора, в центре разностное изображение B, полученное путем вычитания числовых матриц, соответствующих изображениям A, C. Использование контрастирующего вещества и селективного фильтра из Ni позволяет добиться резкого усиления контраста благодаря К-скачку поглощения в никеле. A B C Рис. 19. Триптих проекций левого легкого лягушки : А - U=19 кВ (напряжение натрубке), Ni-фильтр; B - субтрактивное (разностное) изображение A-C; C - U=16 кВ (без фильтра). Контрастирование в водном растворе NiCl2 (10%), средняя толщина среза 2 мм; стрелкой показан срез сосуда. На разностном изображении отчетливо видна альвеолярная структура легкого и срез кровеносного сосуда, которые практически неразличимы на стандартных проекциях. В з 7.3 описана сканирующая система для экспрессного определения состава объектов. Предложенная система и метод основываются на результатах исследования, описанных в главе 6. Особенность метода заключается в том, что объект облучается веерным полихроматическим пучком, а призменная система располагается в пределах широкого углового сектора, перехватывающего всю зону исследования. Это обеспечивает возможность экспрессного картирования (мэппинг) двумерного распределения химических элементов в образце по спектрам поглощения. Идентификация элементов производится по положению К- и L-скачков фотопоглощения. Система может быть использована в лабораторной практике и для инспекционных целей. В з 7.4 анализируются характеристики квазимонохроматического источника на основе эффекта обратного комптоновского рассеяния фотонов, и рассматривается возможность его практического применения для рентгенооптической диагностики наноструктур и в медицине. В случае рассеяния фотона на релятивистском электроне ( 1) выражение для длины волны обратно рассеянного фотона при малых углах отклонения от направления движения электронов определяется отношением, где - релятивисткий L / 4 параметр, L - длина волны лазера. Пучок рассеянных фотонов сосредоточен в узком конусе вдоль вектора скорости электрона. Из приведенного соотношения ясно, что при взаимодействии лазерного пучка оптического диапазона (E~1 эВ) с релятивистскими электронами 50 обратный эффект Комптона приводит к генерации рентгеновского излучения. , A Рис. 20. Зависимости длины волны генерируемого излучения от угла рассеяния при L =1 мкм: 1/1 - =100, min=0,25 (E=49,6 кэВ) 2 - 2=50, 1/min=1 (E=12,4 кэВ) и рабочие угловые диапазоны для =2. 0,-0,5 0,0 0,, degr В качестве примера на рис. 20 показаны зависимости длины волны генерируемого излучения от угла рассеяния при L = 1 мкм: 1 - =100, min=0,25 (E=49,6 кэВ), 2 - 2=50, min=1 (E=12,4 кэВ). Для рентгенооптических измерений слоистых структур достаточно спектрального разрешения =103. Угловой диапазон , соответствующий указанному разрешению для 2, выделен прямоугольной областью вблизи =0. Структурные исследования по спектрам поглощения в области XAFS обычно проводятся в энергетической полосе шириной 1 кэВ. Угловой диапазон 2, соответствующий этой полосе для 2, указан сверху на рис. 20. Из сравнения с эффективной шириной пучка генерируемого излучения видно, что при обратном комптоновском рассеянии в выделенные диапазоны попадает значительная доля энергии. Как показывают проведенные нами оценки, при средней мощности лазера 50 Вт, ~100, токе в электронном накопителе 100 мА и сечении встречных лазерных и электронных пучков ~10 мкм для получения рентгеновского потока ~ 1014 фот/с необходимо использование высокодобротного резонатора с обострением более 103. В настоящее время указанные параметры являются принципиально достижимыми, что может обеспечить проведение в лабораторных условиях рентгеновских исследований структурных и энергетических характеристик конденсированных сред с временным разрешением, превосходящим параметры действующих синхротронов. В заключительном разделе (з7.5) анализируются характеристики рентгеновского лазера на свободных электронах, создаваемого в настоящее время по международному проекту XFEL. Расчетная угловая расходимость первичного пучка на основной гармонике должна быть ~0,1". Это позволяет получить энергетическое разрешение близкое к теоретическому пределу призмы и открывает перспективы практического применения на XFEL метода призменной рентгеновской спектрометрии. На рис. 21 показана схема рентгенооптического канала SASE-2, с перестраиваемой длиной волны и предлагаемая нами дисперсионная система на базе подвижной алмазной призмы и стрипового детектора. Справа на рис. 21 располагается ондулятор, слева - лабораторные помещения. Призма может располагаться как в канале для проведения измерений с высоким энергетическим разрешением, так и в лабораторном помещении, обеспечивая мониторинг высокочастотных гармоник лазера. D M M FM PR RL M MS M 900 m 500 m 700 m Рис. 21. Рентгенооптическая схема линии SASE-2 для исследования спектров поглощения с преломляющей призмой: M1, M2 - фильтрующие зеркала, RL - составная рефракционная линза, MS, M3, M4 - отклоняющие зеркала, FM - цилиндрическое зеркало, PR - призма, D - стриповый детектор. Отметим, что указанное выше число фотонов в импульсе XFEL 1012 позволяет с помощью призмы получать спектр по единичному импульсу, что принципиально важно для исследования быстропротекающих процессов при сверхвысокой плотности рентгеновских потоков. В заключении з7.5 обоснованы условия применения зеркальной и рефракционной оптики для создания перестраиваемых времен задержки импульсов рентгеновского лазера в диапазоне 01 нс. Основные выводы 1. Дифракционные свойства тонкопленочных текстур из пиролитического графита описываются в рамках статистической динамической теории рассеяния рентгеновских лучей. Указанные текстуры являются эффективными полупрозрачными монохроматорами рентгеновского излучения брэгговского типа. Предложенные структуры в виде эшелона полупрозрачных пленок обеспечивают возможность управления рентгеновскими потоками, в том числе: пространственное совмещение рентгеновских пучков, селекцию заданного набора спектральных линий и управление шириной полосы выделяемого спектра. 2. Разработанная метрология параллельных рентгенооптических измерений в различных участках спектрального диапазона повышает информативность и однозначность определения параметров слоистых структур и границ раздела. Наибольшую точность измерений комплексной диэлектрической проницаемости среды обеспечивает предложенный метод относительной рентгеновской рефлектометрии. Основным условием корректных измерений отношения коэффициентов отражения на выбранных спектральных линиях 1, является подобие пространственного и углового распределений интенсивности излучения на линиях 1, 2. Это обеспечивает устранение влияния размерного и форм-факторов исследуемой поверхности. Наиболее перспективно применение относительной рефлектометрии при исследовании дискретных слоистых структур, слабых возмущений диэлектрической проницаемости среды и внутренних границ раздела. 3. Параметры наноразмерной слоистой структуры могут быть определены путем регистрации потока туннелирующих через рентгенооптический барьер фотонов в условиях полного внутреннего или внешнего отражения от анализируемого слоя. Оптимальные условия для регистрации коэффициента пропускания обеспечиваются при вводе пучка через боковую поверхность слоистой структуры, например, через поверхность скола при отрицательных углах скольжения относительно внешней границы. При определении параметров слоев достигается линейное разрешение порядка 1/f где f - линейный амплитудный коэффициент фотопоглощения в подложке или подстилающем слое. При энергии излучения E>5 кэВ углах скольжения, меньших критического угла ПВО, поток туннелирующих фотонов практически не зависит от коэффициента фотоэлектрического поглощения в барьерном слое. 4. Рентгеновская рефрактометрия в диапазоне энергий ~10 кэв является новым неразрушающим методом анализа слоистых наноструктур. Прохождение и рефракция рентгеновского излучения через апериодические слоистые среды удовлетворительно описывается в рамках кинематического приближения с использованием соотношений металлооптики. Измерение угловых диаграмм рефракции позволяет проводить прямые измерения действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости наноразмерных слоев, определять их производные параметры и идентифицировать агрегатное состояние исследуемых слоев. Появление осцилляций интенсивности на угловой диаграмме рефракции объясняется рассеянием первичного излучения на дефектах внешней границы раздела. Решение обратной задачи для рассматриваемого случая позволяет определять расстояние между границами раздела и степень кросс-корреляции пространственного положения рассеивающих центров на внешней и внутренних границах раздела. При рефракции в однородных средах угловые диаграммы интенсивности преломленного излучения описываются с помощью дифракционного интеграла КирхгофаЦГельмгольца. 5. Разработанный метод призменной рентгеновской спектрометрии обеспечивает возможность анализа широкополосных эмиссионных спектров и спектров поглощения в диапазоне энергий E>2 кэВ. Предельное энергетическое разрешение E призменного рентгеновского спектрометра ограничено дифракционным пределом, обусловленным фотопоглощением в материале призмы. При энергии излучения E10 кэВ величина разрешения E для призм из алмаза и бериллия достигает величины ~1 эВ. Это более чем на два порядка превосходит соответствующий параметр для спектрометров на основе охлаждаемых полупроводниковых детекторов, что позволяет исследовать тонкую структуру поглощения в XANES и XAFS-областях спектра. С помощью призменного спектрометра с матричной детектирующей системой регистрации могут анализироваться импульсные рентгеновские спектры без каких-либо временных ограничений. При достаточной статистике регистрируемых фотонов возможно измерение спектров единичных импульсов фемтосекундного диапазона, что является принципиально важным для исследования кинетики быстро протекающих процессов. 6. Дисперсионная призменная оптика и полупрозрачные монохроматоры могут быть использованы в аналитических установках и системах визуализации на базе лазерно-электронного источника (ЛЭИ) на основе обратного комптоновского рассеяния фотонов, который является одним из перспективных средств генерации интенсивных потоков квазимонохроматического рентгеновского излучения в лабораторных условиях. Наибольший интерес представляет использование призменного спектрометра и ЛЭИ для изучения структурных превращений методом XAFS-метрологии с высоким временным разрешением. 7. Использование призменных дисперсионных схем на измерительном канале рентгеновского лазера на свободных электронах с перестраиваемой энергией спектра обеспечивает новые аналитические возможности для фундаментальных исследований быстропротекающих процессов в пико- фемтосекундном временном интервалах. Наибольший интерес представляет возможность определения энергетической и атомарной структуры вещества по спектрам поглощения единичного импульса возбуждения в диапазонах XANES и XAFS. Полученные в диссертации результаты являются основой новых научных направлений в области оптики рентгеновского диапазона: аналитической рентгеновской рефрактометрии и призменной рентгеновской спектрометрии. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах. 1. А.В. Виноградов, Н.Н. Зорев, И.В. Кожевников, С.И. Сагитов, А.Г. Турьянский. О рассеянии рентгеновского излучения слабошероховатыми поверхностями. Журнал экспериментальной и теоретической физики, т. 94 (1988) с. 203-16. 2. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновский эшелонмонохроматор из пиролитического графита". Приборы и техника эксперимента, № 5 (1998) с.118-122. 3. А.Г. Турьянский, А.В. Виноградов, И.В. Пиршин. "Двухволновой рентгеновский рефлектометр". Приборы и техника эксперимента, № 1, (1999) с.105-111. 4. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновская рефрактометрия поверхностных слоев". Приборы и техника эксперимента, № 6, (1999) с.104-111. 5. В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Ю.Г. Садофьев, А.Г. Турьянский. УЭпитаксиальные слои ZnTe и квантовые ямы CdZnTe/ZnTe, выращенные молекулярно-пучковой эпитаксией на подложках GaAs (100) с использованием твердофазной кристаллизации аморфного слоя ZnTeФ. Физика и техника полупроводников, т. 33, вып. 7 (1999) 810-14. 6. R.M. Feshchenko, I.V. Pirshin, A.G. Touryanski, A.V. Vinogradov. УNew Methods of X-Ray Reflectometry of Solids and Thin Solid FilmsФ. Journal of Russian Laser Research. Vol. 20, No. 2, 1999, pp. 136-151. 7. Ya.I. Nesterets, V.I. Punegov, I.V. Pirshin, A.G. Touryanski, A.V. Vinogradov, E. Foerster, S.G. Podorov. "Application of Statistical Dynamical Theory of X-Ray Diffraction to Calculation of the HOPG Echelon-Monochromator parameters". Phys. Stat. Solidi (a), v. 179 (2000) p. 311. 8. A.G.Touryanski, A.V.Vinogradov, I.V.Pirshin. "Two-channel X-ray reflectometer". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 448 (2000) 184-187. 9. Турьянский А.Г., Пиршин И.В. "Метод получения сверхтонких рентгеновских пучков". Приборы и техника эксперимента, № 5 (2000) с. 90-96. 10. Турьянский А.Г., Пиршин И.В. "Полупрозрачный рентгеновский монохроматор решетчатого типа". Приборы и техника эксперимента, № 4 (2000) с. 117-1 11. Турьянский А.Г., Пиршин И.В., Хмельницкий Р.А. "Разложение рентгеновского спектра в диапазоне энергии ~10 кэВ путем рефракции на полированной пластине алмаза". Краткие сообщения по физике ФИАН. № 4 (2000), с. 40-44. 12. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, Р.А. Хмельницкий, А.А. Гиппиус. "Дисперсионные характеристики алмаза в жестком рентгеновском диапазоне длин волн". Физика твердого тела, т. 43, №4 (2001) с. 619-26. 13. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, Р.А. Хмельницкий, А.А. Гиппиус. "Определение рентгеновского спектра по угловой дисперсии излучения в алмазной призме". Письма в ЖЭТФ, т.73, вып. 9 (2001) с. 517. 14. A.G. Touryanski, I.V. Pirshin, M. A. Rzaev, F. Schffler, M. Mhlberger. Two-wave X-ray optical diagnostics of GexSi1-x/Si modulationdoped heterostructures. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. Vol: 13 (2-4) 2002 pp.1063 - 1065. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновский рефрактометр", Приборы и техника эксперимента, № 2 (2001), 109-117. 15.Touryanski, Alexander G.; Pirshin, Igor V.; Vinogradov, Alexander V.; Publicover, Nelson G.; Kantsyrev, Victor L.; Grigorieva, Inna G.; Antonov, Alexander A. "Semitransparent monochromators for x-ray imaging based on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG)". Proc. SPIE. Penetrating Radiation Systems and Applications. III. Vol. 4508, (2001) p. 58-64. 16. Бессонов Е.Г., Виноградов А.В., Турьянский А.Г. Лазерноэлектронный источник рентгеновского излучения для медицинских применений. Приборы и техника эксперимента, №5 (2002) с.142-48. 17. A.G. Touriyanski, I.V. Pirshin, N.L. Popov, YuA. Uspenski, A.V. Vinogradov. УRelative X-Ray Reflectometry for Characterization of NanostructuresФ. Proceedings of the 5th ISTC Seminar Nanotechnologies in the Area of Physics, Chemestry and Biotechnology. S-Petersburg, Russia, May 27-29, 2002, pp 316-20. 18. Н.Л. Попов, Ю.А. Успенский, А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, А.В. Виноградов, Ю. А. Платонов. Определение параметров многослойных структур с помощью двухволновой рентгеновской рефлектометрии. Физика и техника полупроводников, т. 37, №6 (2003) с. 675-80. 19. Н.Л. Попов, Ю.А. Успенский, А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, А.В. Виноградов. УОпределение шероховатости сверхгладких поверхностей с помощью двухволновой рентгеновской рефлектометрииФ. Поверхность, №9 (2003) с.11-16. 20. Е.Г. Бессонов, А.В. Виноградов, М.В. Горбунков, А.Г. Турьянский, Р.М. Фещенко, Ю.В. Шабалин. УЛазерно-электронный источник рентгеновского излучения для медицинских примененийФ. Успехи физических наук, т. 173, №8 (2003) с. 899-903. 21. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. УМетоды регистрации разностных рентгеновских проекцийФ. Приборы и техника эксперимента, №4 (2003) с. 100-115. 22. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, Д.В. Белянский. Измерение рентгеновских спектров поглощения методом призменной спектрометрии. Письма в ЖЭТФ, том 79, вып.9 (2004) с. 504-506. 23. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. Туннелирование рентгеновских фотонов через тонкую пленку в условиях полного внутреннего отражения. Письма в ЖЭТФ, том 81, вып. 10 (2005) с.610-13. 24. A.G. Touriyanski, O.M. Matveeva, N.Yu. Narimanova, I.V. Pirshin. УX-ray optical projection microscope based on policapillary Kumakhov opticsФ. Proc. SPIE. X-Ray and Neutron Capillary Optics II. Vol. 5943, (2004) p. 275-83. 25. A.G. Touriyanski, N.N. Gerasimenko, S.A. Aprelov, I.V. Pirshin, A.I. Poprygo, V.M. Senkov. УInvestigation of ion-implanted layers by X-ray reflectometryФ. Proc. SPIE. X-Ray and Neutron Capillary Optics II. Vol. 5943, (2004) p. 143-49. 26. А.Г. Турьянский, С.А. Апрелов, Н.Н. Герасименко, И.В. Пиршин, В.М. Сенков. Относительная рентгеновская рефлектометрия дискретных слоистых структур. Письма в ЖТФ, т. 33, №5 (2007) с. 8794. 27. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. Наблюдение полного внешнего отражения рентгеновского излучения от границы раздела жидкость - твердое тело. Письма в ЖЭТФ, том 85, вып. 9 (2007) с. 520-23. 28. С.А.Апрелов., Н.Н. Герасименко, А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин В.М. Сенков. Контроль параметров дискретных слоистых наноразмерных структур. Российские нанотехнологии, т.2. вып. 3-(2007) 130-33. 29. А.Г. Турьянский, А.В. Виноградов, И.В. Пиршин. "Рентгеновский рефлектометр". Патент РФ №2104481, МКИ G01B 15/08 (1998). 30. А.Г. Турьянский, Л.В. Великов, А.В. Виноградов, И.В. Пиршин. "Рентгеновский рефлектометр". Патент РФ № 2129698, МКИ G01B 15/00 (1998). 31. A.G. Touryanski, A.V. Vinogradov, I.V. Pirshin. "X-ray reflectometer". Patent no. 6041098, US Cl. 378-70. (Official Gazette March 21, 2000, p. 2960). 32. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновский рефлектометр", Патент РФ № 2166184, G01B 15/08, (2001). 33. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновский рефлектометр", Патент РФ № 2176776, G01B 15/00 (2001). 34. А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. "Рентгеновский монохроматор", Патент РФ № 2181198 G01N 23/20 (2002). 35. А.Г. Турьянский. Способ контроля содержимого объектов и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2217732, МКИ G01N 23/04 (2003). 36. М.А. Кумахов, А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин. Коллимационное устройство. Патент РФ № 2241977, G01N 23/20, (2004).