Исследование тонких пленок и многослойных структур является одной из ключевых задач современной физики конденсированного состояния и материаловедения. Сложные многослойные системы применяются в микро- и наноэлектронике, оптике, магнитных устройствах, сенсорах и фотонных кристаллах. Для понимания их свойств необходимо знание элементного и фазового состава, структуры на атомном и наномасштабе, а также динамики межфазных взаимодействий. Синхротронная радиация благодаря высокой интенсивности, широкой энергетической области и возможности тонкой настройки параметров излучения стала уникальным инструментом для изучения этих систем.
Одним из наиболее распространенных методов анализа тонких пленок является рентгеновская рефлектометрия (XRR), основанная на измерении отраженной интенсивности рентгеновских лучей при малых углах падения. Использование синхротронных источников позволяет:
Дополнительные возможности дает малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (GISAXS), обеспечивающее информацию о размерах, форме и распределении наночастиц или пор в пленках. Комбинация XRR и GISAXS позволяет исследовать и вертикальную, и латеральную наноструктуру многослойных систем.
Особое значение имеют методы рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), включая XANES и EXAFS. Они позволяют анализировать:
С помощью EXAFS удается с высокой точностью восстановить межатомные расстояния и характер ближнего порядка, что особенно важно для аморфных и нанокристаллических пленок. В условиях синхротронного излучения возможно проведение измерений на элементах с низкой концентрацией, а также в режиме in situ при изменении температуры, давления или внешнего поля.
Методы рентгеновской дифракции (XRD), реализованные на синхротронных установках, обладают чрезвычайно высоким разрешением, что позволяет исследовать кристаллическую структуру пленок с толщинами вплоть до нескольких нанометров. Применяются такие варианты, как:
Эти подходы дают возможность проследить эволюцию структуры в процессе роста пленок и при воздействии внешних факторов.
Развитие синхротронной микротомографии и нанотомографии позволяет получать трехмерные изображения многослойных систем с субмикронным разрешением. Такие методы обеспечивают:
Современные подходы сочетают рентгеновскую томографию с фазовым контрастом, что значительно повышает чувствительность к границам между материалами с близкой плотностью.
Для магнитных многослойных структур, таких как спинтронные элементы и многослойные зеркала, применяется рентгеновская магнитная круговая дихроизмия (XMCD) и линейная дихроизмия (XMLD). Эти методы позволяют:
С помощью синхротронной радиации становится возможным выбор энергии и поляризации для избирательного изучения конкретных элементов и их электронных состояний.
Важной особенностью синхротронных методов является возможность проведения динамических экспериментов. При росте пленок методами напыления или молекулярно-лучевой эпитаксии осуществляется:
Скорость сбора данных на синхротронах позволяет фиксировать процессы в миллисекундном диапазоне, что недостижимо для лабораторных источников.
Современные исследования часто требуют сочетания нескольких методов. Так, совместное использование XRR, GIXRD и XAS дает возможность одновременно установить толщину и шероховатость пленок, их кристаллическую структуру и химический состав. В комбинации с электронными методами (например, сканирующей электронной микроскопией) обеспечивается максимально полное понимание природы многослойных систем.