Refletometria de nêutrons - Neutron reflectometry

A refletometria de nêutrons é uma técnica de difração de nêutrons para medir a estrutura de filmes finos , semelhante às técnicas frequentemente complementares de refletividade de raios-X e elipsometria . A técnica fornece informações valiosas sobre uma ampla variedade de aplicações científicas e tecnológicas, incluindo agregação química, adsorção de polímero e surfactante , estrutura de sistemas magnéticos de filme fino, membranas biológicas, etc.

História

A refletometria de nêutrons surgiu como um novo campo na década de 1980, após a descoberta da magnetorresistência gigante em filmes multicamadas antiferromagneticamente acoplados.

Técnica

A técnica envolve projetar um feixe de nêutrons altamente colimado em uma superfície extremamente plana e medir a intensidade da radiação refletida em função do ângulo ou comprimento de onda dos nêutrons. A forma exata do perfil de refletividade fornece informações detalhadas sobre a estrutura da superfície, incluindo a espessura, densidade e aspereza de quaisquer filmes finos em camadas no substrato.

A refletometria de nêutrons é mais frequentemente feita no modo de reflexão especular , onde o ângulo do feixe incidente é igual ao ângulo do feixe refletido. A reflexão é geralmente descrita em termos de um vetor de transferência de momento , denotado , que descreve a mudança no momento de um nêutron após refletir do material. Convencionalmente, a direção é definida como a direção normal à superfície e, para reflexão especular, o vetor de espalhamento tem apenas um componente. Um gráfico de refletometria de nêutrons típico exibe a intensidade refletida (em relação ao feixe incidente) como uma função do vetor de espalhamento: ${\ displaystyle q_ {z}}$ ${\ displaystyle z}$ ${\ displaystyle z}$

{\ displaystyle q_ {z} = {\ frac {4 \ pi} {\ lambda}} \ sin (\ theta)}

onde é o comprimento de onda do nêutron e é o ângulo de incidência. O formalismo da matriz Abeles ou a recursão de Parratt podem ser usados para calcular o sinal especular proveniente da interface. ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle \ theta}$

A refletometria não especular dá origem ao espalhamento difuso e envolve a transferência de momento dentro da camada, e é usada para determinar correlações laterais dentro das camadas, como aquelas que surgem de domínios magnéticos ou rugosidade correlacionada no plano.

O comprimento de onda dos nêutrons usados para refletividade é normalmente da ordem de 0,2 a 1 nm (2 a 10 Å ). Esta técnica requer uma fonte de nêutrons , que pode ser um reator de pesquisa ou uma fonte de fragmentação (baseada em um acelerador de partículas ). Como todas as técnicas de espalhamento de nêutrons , a refletometria de nêutrons é sensível ao contraste proveniente de diferentes núcleos (em comparação com a densidade de elétrons, que é medida no espalhamento de raios-X). Isso permite que a técnica diferencie vários isótopos de elementos . A refletometria de nêutrons mede a densidade do comprimento de espalhamento de nêutrons (SLD) e pode ser usada para calcular com precisão a densidade do material se a composição atômica for conhecida.

Comparação com outras técnicas de refletometria

Embora outras técnicas de refletividade (em particular a refletividade ótica, refletometria de raios-X) operem usando os mesmos princípios gerais, as medições de nêutrons são vantajosas em algumas maneiras significativas. Mais notavelmente, uma vez que a técnica testa contraste nuclear, em vez de densidade de elétrons, é mais sensível para medir alguns elementos, especialmente elementos mais leves ( hidrogênio , carbono , nitrogênio , oxigênio , etc.). A sensibilidade aos isótopos também permite que o contraste seja bastante (e seletivamente) aprimorado para alguns sistemas de interesse usando substituição isotópica, e vários experimentos que diferem apenas pela substituição isotópica podem ser usados para resolver o problema de fase que é geral para técnicas de espalhamento. Finalmente, os nêutrons são altamente penetrantes e normalmente não perturbadores: o que permite grande flexibilidade em ambientes de amostra e o uso de materiais de amostra delicados (por exemplo, espécimes biológicos). Em contraste, a exposição aos raios X pode danificar alguns materiais e a luz do laser pode modificar alguns materiais (por exemplo, fotoresiste ). Além disso, as técnicas ópticas podem incluir ambigüidade devido à anisotropia óptica ( birrefringência ), que as medições complementares de nêutrons podem resolver. A interferometria de polarização dupla é um método óptico que fornece resultados análogos à refletometria de nêutrons em resolução comparável, embora o modelo matemático subjacente seja um pouco mais simples, ou seja, ele só pode derivar uma espessura (ou birrefringência ) para uma densidade de camada uniforme.

As desvantagens da refletometria de nêutrons incluem o custo mais alto da infraestrutura necessária, o fato de que alguns materiais podem se tornar radioativos após a exposição ao feixe e a insensibilidade ao estado químico dos átomos constituintes. Além disso, o fluxo relativamente mais baixo e o fundo mais alto da técnica (quando comparado à refletividade de raios-X) limitam o valor máximo que pode ser sondado (e, portanto, a resolução da medição). ${\ displaystyle q_ {z}}$

Referências

^ Dalliant, Jean; Gibaud, Alain, eds. (2009). Raios-X e refletividade de nêutrons . Notas de aula em Física. 770 . Berlin Heidelberg: Springer. p. 183. ISBN 9783540885870 .

links externos

[1] Dalliant, Jean; Gibaud, Alain, eds. (2009). Raios-X e refletividade de nêutrons . Notas de aula em Física. 770 . Berlin Heidelberg: Springer. p. 183. ISBN 9783540885870 .

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