Развитие метода резонансного рентгеновского отражения вблизи L2,3 краев поглощения для исследования магнитных мультислоев

Московский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиСмехова Алевтина ГеннадьевнаРАЗВИТИЕ МЕТОДА РЕЗОНАНСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГООТРАЖЕНИЯ ВБЛИЗИ L2,3 КРАЕВ ПОГЛОЩЕНИЯДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ МУЛЬТИСЛОЕВСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006–2–Работа выполненана кафедре физики твердого тела физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководительдоктор физико-математических наукМ.А. АндрееваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукДмитриенко Владимир Евгеньевич;доктор физико-математических наукЧуев Михаил АлександровичВедущая организацияНИИ Физики им. В.А.

ФокаСанкт-Петербургского ГосударственногоУниверситета, г. Санкт-Петербургчасов на заседанииЗащита состоится “ 20 “ апреля 2006 года вдиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ,.физический факультет, аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 20 ” марта 2006 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наукИ. А. Никанорова–3–ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьизлучениясделалитемы.Синхротронныевозможнымиисточникиисследованиярентгеновскогоспектроврезонансногорентгеновского поглощения и рассеяния вблизи краев поглощения практическилюбых атомов с хорошим энергетическим разрешением, что обеспечилоразвитие целого ряда новых методов исследования структуры и свойств самыхразных объектов: от наноструктур до биологических макромолекул.

Основнойособенностью таких спектров является их зависимость от состояния внешнихэлектронных оболочек резонансных атомов, что определяет чувствительностьрезонансных спектров поглощения и рассеяния рентгеновского излучения кэлектроннойструктуре,химическимсвязям,симметрииближайшегоокружения и, что наиболее привлекательно, к магнитным параметрамисследуемого атома. Таким образом, начиная с середины 90х годов прошлоговека, рентгеновское излучение стало мощным новым методом исследованиямагнетизма.Выдающейсяособенностьюновогометодаявляетсяегоэлементная селективность, а также возможность исследовать парциальныевклады в суммарный магнитный момент атома, что существенно выделяетновый метод из ряда других методов исследования магнетизма (магнитометрии,магнитооптики, нейтронографии и др.). К настоящему времени в рентгеновскомдиапазоне длин волн наблюдались все известные эффекты магнитооптики(МО): круговой и линейный дихроизм (XMCD и XMLD), фарадеевскоевращение, эффект Фохта, магнитооптический эффект Керра в меридиональной,экваториальной и полярной геометриях (L-MOKE, T-MOKE и P-MOKE).Однако от магнитооптики видимого света магнитооптика рентгеновскогоизлучения отличается возможностью сочетать исследование магнитныхэффектов со структурными исследованиями в условиях дифракции накристаллических структурах или зеркального отражения.

В последнем случаевозникает возможность исследовать магнитные свойства селективно по глубинеили по периоду многослойных пленок.Новыйметодтребуетадекватноготеоретическогоописания–4–наблюдаемых эффектов. В хорошо развитой теории рентгеноструктурногоанализа, кинематической и динамической теории дифракции и полноговнешнего отражения возникли новые неисследованные проблемы, связанные впервую очередь с появлением тензорных свойств у восприимчивости среды дляобластей энергий излучения вблизи краев поглощения. Наиболее близкойтеорией для описания новых эффектов в рентгеновской оптике оказаласьтеория мессбауэровской дифракции и полного отражения, поскольку дляядерно-резонансного рассеяния существенна анизотропия взаимодействияизлучения с резонансной средой. Кроме необходимой адаптации развитойтеории отражения от анизотропной мультислойной среды к описанию эффектов,специфичных в рентгеновской оптике резонансного рассеяния, следует учесть,чтотеориямессбауэровскогообусловленныескользящейотражениягеометриейиспользовалаэксперимента.приближения,Дляслучаярентгеновского резонансного отражения вблизи краев поглощения этоприближение не работает, поскольку, например, для L2,3-краев поглощенияпереходных металлов эффекты отражения наблюдаются уже при большихуглах скольжения.Цель работы.

Развитие теории отражения рентгеновского резонансногоизлучения от магнитоупорядоченных многослойных пленок. Теоретическоеисследованиемагнитооптическихэффектоввгеометрииотраженияврентгеновской оптике и оптимизации условий их наблюдения. Изучениевозможностей извлечения информации о магнитной и электронной структуреиз резонансных спектров зеркального и брэгговского отражения вблизи краевпоглощения и возможностей восстановления спектральных зависимостейкомпонент тензора восприимчивости в резонансной области.Научная новизна работы. В работе впервые развита в самом общемвиде теория рентгеновской рефлектометрии для анизотропных и гиротропныхмультислоев,базирующаясянатензорныхсвойствахрезонанснойвосприимчивости среды. Использование формализма матриц распространения,планарных тензоров импеданса и нормальной рефракции позволило получить–5–общее решение для матриц отражения в наиболее компактном виде имаксимально сократить время счета спектров отражения.В рамках общего формализма проведено теоретическое рассмотрениеявлений рентгеновской магнитооптики: меридионального, экваториального иполярного эффекта Керра.

Выявлены оптимальные условия для исследованиямагнитных компонент тензора восприимчивости в различных геометрияхэксперимента.Впервые с использованием точного расчета коэффициента отражения отанизотропных периодических структур проанализирована связь смещениябрэгговского пика с усредненными по периоду структуры компонентамитензора восприимчивости в геометрии меридионального эффекта Керра вдинамическом и кинематическом приближении теории дифракции. Показано,что при малых углах скольжения, когда круговые поляризации можно считатьсобственными поляризациями задачи, могут быть восстановлены реальныечастикакдиагональных,такинедиагональныхкомпоненттензоравосприимчивости. При больших углах, вследствие смешивания поляризацийпри многократном переотражении в системе анизотропных слоев, по смещениюбрэгговского угла могут быть приближенно определены только диагональныекомпоненты тензора.Рассчитанные по точной теории спектры резонансного брэгговскогоотражения обнаружили драматическое изменение формы в зависимости отизменения угла в окрестности угла Брэгга, числа повторений периода вструктуре,атакжераспределениямагнитнойкомпонентытензоравосприимчивости по периоду.

Впервые было показано, что вариациимагнитного момента атомов в интерфейсах практически не сказываются наспектрах брэгговского отражения первого порядка, но существенно влияют наспектры брэгговского отражения второго порядка.В работе впервые с целью определения профиля распределениямагнитногомоментапопериодуструктурыбылпроведенанализэкспериментальных спектров брэгговского отражения первого порядка вблизи–6–L2,3 краев поглощения железа, измеренных на станции D1011 синхротронаМАХ-лаб в г. Лунд (Швеция), от образца [Fe(6 ML)/Co(6 ML)]50. Было показано,что магнитный момент атомов Fe в исследованной многослойной структуреувеличен по сравнению с α-железом в центральной части слоев железа, а нетолько в интерфейсах, как предполагалось ранее.Практическая значимость работы.

На базе общего формализма созданпакет программ, позволяющий рассчитывать спектры и угловые зависимостиотражения рентгеновского излучения любой поляризации от произвольнойанизотропной мультислойной среды с известными тензорами восприимчивостислоев. Этот пакет программ размещен на сайте КФТТ физического факультетав свободном доступе. Он может быть использован для моделированияпланируемогоэкспериментаиобработкиэкспериментальныхспектровотражения, исследование которых в последнее время интенсивно ведется намногихсинхротронахмира.Израссмотренияразличныхгеометрийэксперимента показано, что для исследования магнитных характеристик средыможет эффективно использоваться не только меридиональный эффект Керра,но и экваториальный эффект для р- поляризованного излучения при углахскольжения ~ 35о или ~ 55о.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Теориярезонанснойрентгеновскойрефлектометрии,развитаядлямногослойных структур с учетом наличия магнитных недиагональныхкомпонент тензора восприимчивости.2. Заключение о возможности усиления в условиях когерентного рассеяниямагнитных эффектов в спектрах отражения за счет диагональных компоненттензора восприимчивости.3. ВозможностьвосстановлениявосприимчивостипосмещениюдиагональныхуглаБрэггакомпонентпритензораотраженииотпериодических мультислоев в геометрии меридионального эффекта Керрапри больших углах несмотря на эффект смешивания поляризаций излученияпри многократном переотражении.–7–4. Возможность восстановления магнитных (недиагональных) компоненттензора восприимчивости по смещению угла Брэгга при отражении отпериодических мультислоев в геометрии меридионального эффекта Керрапри не слишком больших углах Брэгга.5.

Вывод о преимущественном влиянии на спектры брэгговского отраженияпервого порядка магнитных свойств средней части резонансных слоев инезначительной чувствительности этих спектров к магнитным параметраминтерфейсов. Отмечена необходимость привлечения отражений высшихпорядковдляполученияинформацииомагнитныхмоментахвинтерфейсной области.Апробация работы. Основные результаты работы были доложены наСовещании "Рентгеновская Оптика – 2004" (г. Нижний Новгород, май 2004),конференции Современная химическая физика.