Введение к работе
Актуальность темы. Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов конденсированными средами часто используется для исследований не только объемной структуры, но и поверхностей, границ раздела, тонких пленок и многослойных структур. Переход от оптических методов исследования структуры поверхности и границ раздела к рентгеновским [1,2], в принципе, позволяет изучать особенности структуры с масштабами, сравнимыми с длиной волны рентгеновских лучей. В частности, измерения интенсивности отраженных и рассеянных волн позволяют определять толщину и среднюю электронную плотность слоев с межатомным разрешением по глубине; диффузное рассеяние на неидеальных границах служит важным источником получения информации о структуре границ раздела [3].
Морфология границы во многих случаях определяет возможности практического использования соответствующих приборов и устройств. Это, в частности, относится к тонкопленочным многослойным твердотельным приборам на основе полупроводников, магнитных материалов и сверхпроводников и к рентгенооптическим системам. Особенно существенную роль морфология поверхности играет для квантово-размерных структур, в которых искажения поверхности могут существенно изменять электронные свойства структуры.
Один из важных вопросов в связи с этим состоит в определении связи морфологии поверхности с технологией приготовления структур. Установление этой связи требует развития методов определения характеристик поверхностей и границ раздела. Рентгеновские методы играют важную роль, поскольку они принадлежат к числу неразрушающих методов контроля и, кроме того, в принципе позволяют получать информацию непосредственно в процессе приготовления материала (in situ). По этим
]
причинам развитию рентгеновских методов исследования поверхностной структуры уделяется сейчас большое внимание.
Цель работы. Основная цель работы состоит в применении непертурбативной (без использования теории возмущений) теории отражения для анализа диффузного рассеяния рентгеновских лучей случайно и нерегулярно однородными поверхностями. Расчеты спектров диффузного рассеяния дают возможность исследовать их зависимость от параметров шероховатой поверхности (амплитуды шероховатости и длины корреляции), разработать методы определения характеристик шероховатой поверхности из угловых спектров рассеяния и изучить возможности методов восстановления рельефа регулярно-неоднородной поверхности в рамках непертурбативного подхода. Научная новизна и практическая значимость. Использование численных методов позволило впервые продемонстрировать преимущества непертурбативной теории диффузного рассеяния рентгеновских лучей и рассчитать спектры рассеяния и их зависимость от параметров поверхности в области значений параметров, в которой получение явных аналитических решений оказывается невозможным. В частности, проведенные расчеты позволили обосновать метод угла отсечки и возможность использования в рамках этого метода приближенных асимптотических выражений, которое существенно упрощает процедуру определения статистических характеристик шероховатостей из измерений отношения интенсивности зеркальной компоненты к интенсивности диффузного рассеяния. Решена задача восстановления рельефа регулярно-неоднородной поверхности по результатам фурье-обработки амплитудного спектра диффузного рассеяния.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
На основании проведенных численных расчетов и сравнения с результатами теории возмущений установлено, что методы теории возмущений применимы для описания диффузного рассеяния рентгеновских лучей шероховатыми поверхностями лишь в области, где интегральная интенсивность диффузного рассеяния много меньше интенсивности зеркального отражения.
-
На основе спектров диффузного рассеяния и зеркального отражения с помощью непертурбативной теории установлена зависимость интенсивности зеркального отражения не только от среднеквадратичной высоты шероховатости, как в рамках теории возмущений, но и от длины их корреляции.
-
Установлены зависимости интенсивности зеркального отражения и диффузного рассеяния от амплитуды и длины корреляции шероховатостей в широком диапазоне углов падения.
-
Предложен и обоснован метод угла отсечки, основанный на измерении отношения интенсивностей зеркального отражения и диффузного рассеяния, на основе которого предложена методика экспресс-анализа статистических характеристик шероховатой поверхности.
-
Фурье-обработка амплитудного спектра диффузного рассеяния рентгеновских лучей позволяет восстановить нанорельеф регулярно-неоднородной поверхности с микронным разрешением в плоскости границы раздела.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, электронов и нейтронов для исследования материалов РСНЭ-97 (Москва-Дубна, 1997), на Всероссийском совещании "Рентгеновская оптика" (Нижний Новгород, 1998), на Второй Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, электронов и
j>
нейтронов для исследования материалов РСНЭ-99 (Москва, 1999), на Всероссийском совещании "Рентгеновская оптика-2000" (Нижний Новгород, 2000) и изложены в работах [А1-А8].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложения, 143 страницы, содержит 27 рисунков и список литературы (134 названия).