Резонансные эффекты вблизи краев поглощения рентгеновского излучения при отражении от многослойных структур

Московский Государственный Университетимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетКафедра физики твердого телаНа правах рукописиОдинцова Екатерина ЕвгеньевнаРЕЗОНАНСНЫЕ ЭФФЕКТЫ ВБЛИЗИ КРАЕВ ПОГЛОЩЕНИЯРЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукАндреева Марина АлексеевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,г.н.с. Дмитриенко Владимир Евгеньевичдоктор физико-математических наукпрофессор Пунегов Василий ИльичВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут проблем технологиимикроэлектроники иособочистых материалов РАНг. Черноголовка, МОЗащитасостоится“13“апреля2011годав1630назаседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, г. Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 13 ” марта 2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2Лаптинская Татьяна ВасильевнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыУльтратонкие многослойные наноструктуры являются базовымиэлементами современных устройств спинтроники, рентгеновской оптики идругих применений нанотехнологии.

Физические свойства ультратонкихплёнок и периодических систем с характерной толщиной порядкананометров представляют также фундаментальный интерес в теориитвердого тела, сверхпроводимости и магнетизма. Эти свойства существеннозависят от структуры и качества интерфейсов многослойных пленок.Рентгеновское излучение является необходимым инструментом дляструктурной характеристики таких объектов. Рентгеновская рефлектометрияпозволяет с точностью до долей ангстрема определять толщины слоев вструктуре, их электронную плотность и шероховатость.Использование синхротронного излучения существенно расшириловозможности метода рентгеновской рефлектометрии, объединив его соспектральными, флуоресцентными, фотоэлектронными, дифракционными имагнитными измерениями.

Исследования вблизи краев поглощения сделалирентгеновскую рефлектометрию магнитно-чувствительным методом.Магнитооптикарентгеновского излученияотличаетсяэлементнойселективностью, а в условиях зеркального отражения предоставляетвозможность исследовать магнитные свойства селективно по глубине или попериоду многослойных пленок.Новыенаправленияисследованийметодомрентгеновскойрефлектометриитребуютадекватноготеоретическогоописаниянаблюдаемых эффектов. В теории дифракции и полного внешнего отражениярентгеновского излучения возникли проблемы, связанные, в первую очередь,с появлением тензорных свойств у диэлектрической проницаемости средыдля длин волн излучения вблизи краев поглощения. Возникла необходимостьадаптировать общую теорию отражения в анизотропных средах, развитую воптике видимого диапазона, на случай зеркального отражениярентгеновского излучения вблизи краев поглощения.Всё вышесказанное говорит об актуальности развития теориирентгеновской рефлектометрии, активно применяемой в настоящее время дляисследований не только электронной, но и магнитной структурынаноразмерных многослойных пленок.3Цели работы:1.

Развитие теории рентгеновской рефлектометрии и стоячих рентгеновскихволн на случай отражения поляризованного рентгеновского излучения отмногослойных структур с учетом их анизотропии, возникающей вблизикраев поглощения.2. Теоретическое исследование поляризационных эффектов, возникающихпри отражении рентгеновского излучения вблизи краев поглощения, и ихвлияния на выход вторичного излучения.3.

Разработка и практическое применение алгоритмов обработкиэкспериментальных кривых отражения и выхода вторичного излучения,измеряемых как в функции угла скольжения, так и в функции энергиипадающих фотонов для разных поляризаций падающего излучения.Научная новизна работы:1. Впервые предложен и реализован метод определения магнитных добавок коптическим константам в резонансных областях по асимметрии кривыхотражения по знаку круговой поляризации падающего излучения.2. Выявлена роль интерференции нерезонансного и магнитного вклада вотражение при брэгговском отражении от периодических многослойныхструктурсантиферромагнитныммежслойнымупорядочением,приводящая к необычной форме «магнитных» максимумов.3.

Впервые показано, что зависимость структуры стоячих волн от энергиипадающего излучения вблизи краев поглощения резонансных атомовобъясняет форму спектров выхода вторичных электронов в условияхотражения от многослойных пленок.4. Показано, что наблюдение рентгеновского дихроизма в случаеантиферромагнитных пленок возможно при условии формирования в нихстоячих волн, пространственная структура которых различна дляразличных поляризаций падающего излучения.Научная и практическая значимость работы.Полученные результаты носят фундаментальный характер и представляютинтерес для развития нового метода – резонансной рентгеновскойрефлектометрии. Развитая теория и созданный пакет программ позволяетпроводить корректную обработку экспериментальных данных для получениядетальной информации о структуре исследуемых многослойных объектов,4включая селективный по глубине элементный анализ, уточнение оптическихконстант отдельных слоев и их магнитных характеристик в резонансныхобластях вблизи краев поглощения.

В настоящее время созданныйпрограммныйпакетиспользуетсявИнститутеаналитическогоприборостроения РАН на установке для измерения угловых зависимостейотражения и выхода флуоресцентного излучения в скользящей геометрии, атакже на станции Прецизионная Рентгеновская Оптика Курчатовскогоисточника синхротронного излучения.На защиту выносятся:1. Теория отражения рентгеновского излучения, выхода вторичногоизлучения и эффекты их асимметрии по поляризации от многослойныхмагнитных структур с учетом малости анизотропных добавок квосприимчивости среды и оптимизация алгоритмов расчета угловых иэнергетических спектров отражения и выхода вторичного излучения.2. Заключение о влиянии интерференции магнитного и немагнитногорассеяния на форму «магнитных» максимумов брэгговского отражения отпериодическихмногослойныхструктурсантиферромагнитныммежслойным упорядочением.3.

Вывод о возможности наблюдения рентгеновского дихроизма впоглощении антиферромагнитными структурами, возникающего вусловиях брэгговского отражения, когда в структуре формируются стоячиеволны, пространственная структура которых различна для различныхсобственных поляризаций падающего излучения.4. Метод определения абсолютных значений магнитных добавок коптическим константам в резонансных областях по асимметрии кривыхотражения по знаку круговой поляризации падающего излучения.Апробация работы.Основные результаты работы были доложены на следующихконференциях и совещаниях:Первой международной научной школе-семинаре «Современные методыанализа дифракционных данных» (Великий Новгород, 2007), КонференцииРСНЭ – 2007 (Москва, 2007), ХII Симпозиуме "Нанофизика инаноэлектроника-2008" (Нижний Новгород, ИФМ РАН, 2008), Второймеждународной научной школе-семинаре «Современные методы анализа5дифракционных данных (дифракционные методы для нанотехнологии)»(Великий Новгород, 2008), Четвёртом международном научном семинаре«Современные методы анализа дифракционных данных (топография,дифрактометрия, электронная микроскопия)» (Великий Новгород, 2008),Рабочем совещании «Рентгеновская оптика-2008» (Черноголовка, 2008),EDXAS Workshop (Франция, 2009), XIII международном симпозиуме«Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009), Конференции«Ломоносов-2009» (Москва, МГУ, 2009 г.), Конференции « Polarized Neutronsand Synchrotron X-rays for Magnetism 2009» (Германия, 2009), VIIнациональной конференции РСНЭ-НБИК 2009 (Москва, 2009), InternationalWorkshop on X Ray spectroscopy of Magnetic Solids (XRMS10)(Великобритания, 2010), Рабочем совещании «Рентгеновская оптика-2010»(Черноголовка, 2010).Публикации:По теме диссертации опубликована 21 работа [A1-A21], в том числе 5статей в рецензируемых журналах из списка одобренных ВАК.Личный вклад автора:Основные результаты, изложенные в диссертации, получены соискателемлично или при его непосредственном участии.Структура и объем диссертации:Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов исодержит 152 страницы, включая 12 страниц приложения, 68 рисунков исписок литературы из 142 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении представлена общая характеристика диссертационнойработы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели,задачи и новизна работы, выдвинуты защищаемые положения.

Представленаструктура диссертации, дана краткая характеристика ее разделов.Первая глава содержит общую характеристику метода рентгеновскойрефлектометрии для анализа структуры тонких пленок. Кратко изложенаистория развития метода рентгеновской рефлектометрии для изучениясвойств тонких пленок. Далее следует обзор работ по современнымисследованиям методом стоячих рентгеновских волн, с использованием6диффузного рассеяния и спектроскопии в условиях зеркального отражения.Представлена подборка работ, в которых метод рентгеновского резонансногоотражения использован для восстановления профилей намагниченностимногослойных структур по глубине.

Показаны примеры успешного решенияобратных задач рентгеновской рефлектометрии. Отмечены последниедостижения в теории рентгеновской рефлектометрии, обсуждены имеющиесяпроблемы и сформулирована актуальность ее дальнейшего развития.Втораяглавапосвященаразвитиютеориирентгеновскойрефлектометрии и стоячих рентгеновских волн в случае отраженияполяризованного рентгеновского излучения от анизотропных многослойныхструктур.В §1 проведен анализ использования различных приближений привычислении коэффициента отражения от слоисто-анизотропных структур.Теория отражения от слоисто-анизотропных слоев на основе 4х4 матрицраспространения разработана в оптике видимого диапазона [1-3]. Прирассмотрении взаимодействия рентгеновского излучения со средой имеетсмысл учесть малость анизотропных поправок к восприимчивости среды.Наиболее успешно упрощения в теории отражения могут быть введены врамках формализма собственных волн [4-6].В работе рассмотрен часто встречающийся частный случай, когда векторнамагниченности лежит в плоскости пленки и составляет угол ψ сплоскостью рассеяния.

В этом случае диэлектрическая проницаемость средыдля рентгеновского излучения вблизи краев поглощения может бытьпредставлена тензором, недиагональные компоненты которого определяютсямагнитной добавкой q. В ортах x,y,z (см. рис.1) этот тензор имеет вид:x00 RMz0 qCos  1  0   01   0  qSin  , qCos qSin 1   0 0y(1)где  0 – восприимчивость среды.Рис. 1Дисперсионное уравнение для определения нормальных компонентволновых векторов i (в единицах ω/c) получается биквадратным (i=1,2,3,4),идлякаждойсобственнойволны7можнонайтисвязьмеждутангенциальными компонентами векторов поля, например, выразить всекомпоненты через напряженность электрического поля Exi:E yi  (Sin 2θ 0  χ 0  ηi 2 )ηi Cosθ0  q Sinψ q Cosψ (1  χ 0  ηi 2 )E xi ,(2)H yi  ηi E xi ,H xi  (Sin 2θ 0  χ 0  ηi 2 )(3)0Cosθ0  q ηi Sinψq Cosψ ( 0  ηi 2 )E xi ,(4)где  0  1   0 , 0 – угол скольжения.В рентгеновской оптике  0 ~ 10-3  10-6 , а величина магнитной добавки qдаже в резонансной области не превышает 10% от  0 .