Введение к работе
Актуальность темы
Ультратонкие многослойные наноструктуры являются базовыми элементами современных устройств спинтроники, рентгеновской оптики и других применений нанотехнологии. Физические свойства ультратонких плёнок и периодических систем с характерной толщиной порядка нанометров представляют также фундаментальный интерес в теории твердого тела, сверхпроводимости и магнетизма. Эти свойства существенно зависят от структуры и качества интерфейсов многослойных пленок. Рентгеновское излучение является необходимым инструментом для структурной характеристики таких объектов. Рентгеновская рефлектометрия позволяет с точностью до долей ангстрема определять толщины слоев в структуре, их электронную плотность и шероховатость.
Использование синхротронного излучения существенно расширило возможности метода рентгеновской рефлектометрии, объединив его со спектральными, флуоресцентными, фотоэлектронными, дифракционными и магнитными измерениями. Исследования вблизи краев поглощения сделали рентгеновскую рефлектометрию магнитно-чувствительным методом. Магнитооптика рентгеновского излучения отличается элементной селективностью, а в условиях зеркального отражения предоставляет возможность исследовать магнитные свойства селективно по глубине или по периоду многослойных пленок.
Новые направления исследований методом рентгеновской рефлектометрии требуют адекватного теоретического описания наблюдаемых эффектов. В теории дифракции и полного внешнего отражения рентгеновского излучения возникли проблемы, связанные, в первую очередь, с появлением тензорных свойств у диэлектрической проницаемости среды для длин волн излучения вблизи краев поглощения. Возникла необходимость адаптировать общую теорию отражения в анизотропных средах, развитую в оптике видимого диапазона, на случай зеркального отражения рентгеновского излучения вблизи краев поглощения.
Всё вышесказанное говорит об актуальности развития теории рентгеновской рефлектометрии, активно применяемой в настоящее время для исследований не только электронной, но и магнитной структуры наноразмерных многослойных пленок.
Цели работы:
Развитие теории рентгеновской рефлектометрии и стоячих рентгеновских волн на случай отражения поляризованного рентгеновского излучения от многослойных структур с учетом их анизотропии, возникающей вблизи краев поглощения.
Теоретическое исследование поляризационных эффектов, возникающих при отражении рентгеновского излучения вблизи краев поглощения, и их влияния на выход вторичного излучения.
Разработка и практическое применение алгоритмов обработки экспериментальных кривых отражения и выхода вторичного излучения, измеряемых как в функции угла скольжения, так и в функции энергии падающих фотонов для разных поляризаций падающего излучения.
Научная новизна работы:
Впервые предложен и реализован метод определения магнитных добавок к оптическим константам в резонансных областях по асимметрии кривых отражения по знаку круговой поляризации падающего излучения.
Выявлена роль интерференции нерезонансного и магнитного вклада в отражение при брэгговском отражении от периодических многослойных структур с антиферромагнитным межслойным упорядочением, приводящая к необычной форме «магнитных» максимумов.
Впервые показано, что зависимость структуры стоячих волн от энергии падающего излучения вблизи краев поглощения резонансных атомов объясняет форму спектров выхода вторичных электронов в условиях отражения от многослойных пленок.
Показано, что наблюдение рентгеновского дихроизма в случае антиферромагнитных пленок возможно при условии формирования в них стоячих волн, пространственная структура которых различна для различных поляризаций падающего излучения.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные результаты носят фундаментальный характер и представляют интерес для развития нового метода - резонансной рентгеновской рефлектометрии. Развитая теория и созданный пакет программ позволяет проводить корректную обработку экспериментальных данных для получения детальной информации о структуре исследуемых многослойных объектов,
включая селективный по глубине элементный анализ, уточнение оптических констант отдельных слоев и их магнитных характеристик в резонансных областях вблизи краев поглощения. В настоящее время созданный программный пакет используется в Институте аналитического приборостроения РАН на установке для измерения угловых зависимостей отражения и выхода флуоресцентного излучения в скользящей геометрии, а также на станции Прецизионная Рентгеновская Оптика Курчатовского источника синхротронного излучения.
На защиту выносятся:
Теория отражения рентгеновского излучения, выхода вторичного излучения и эффекты их асимметрии по поляризации от многослойных магнитных структур с учетом малости анизотропных добавок к восприимчивости среды и оптимизация алгоритмов расчета угловых и энергетических спектров отражения и выхода вторичного излучения.
Заключение о влиянии интерференции магнитного и немагнитного рассеяния на форму «магнитных» максимумов брэгговского отражения от периодических многослойных структур с антиферромагнитным межслойным упорядочением.
Вывод о возможности наблюдения рентгеновского дихроизма в поглощении антиферромагнитными структурами, возникающего в условиях брэгговского отражения, когда в структуре формируются стоячие волны, пространственная структура которых различна для различных собственных поляризаций падающего излучения.
Метод определения абсолютных значений магнитных добавок к оптическим константам в резонансных областях по асимметрии кривых отражения по знаку круговой поляризации падающего излучения.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях и совещаниях:
Первой международной научной школе-семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных» (Великий Новгород, 2007), Конференции РСНЭ - 2007 (Москва, 2007), XII Симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника-2008" (Нижний Новгород, ИФМ РАН, 2008), Второй международной научной школе-семинаре «Современные методы анализа
дифракционных 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 Neutrons and Synchrotron X-rays for Magnetism 2009» (Германия, 2009), VII национальной конференции РСНЭ-НБИК 2009 (Москва, 2009), International Workshop on X Ray spectroscopy of Magnetic Solids (XRMS10) (Великобритания, 2010), Рабочем совещании «Рентгеновская оптика-2010» (Черноголовка, 2010).
Публикации:
По теме диссертации опубликована 21 работа [А1-А21], в том числе 5 статей в рецензируемых журналах из списка одобренных ВАК.
Личный вклад автора:
Основные результаты, изложенные в диссертации, получены соискателем лично или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и содержит 152 страницы, включая 12 страниц приложения, 68 рисунков и список литературы из 142 наименований.
