Отзыв оппонента доктора физ.мат. наук А.А. Ломова

ОТЗЫВ
официального оппонента
на диссертацию Репченко Юрия Леонидовича
"Моделирование резонансных явлений вблизи краев поглощения в условиях
отражения рентгеновского синхротронного излучения от многослойных
структур», представленную на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальностям 01.04.07  физика конденсированного
состояния и 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ.
Диссертационная работа Ю.Л. Репченко посвящена развитию теоретических
моделей метода резонансной рентгеновской рефлектометрии в приложении исследования
магнитных многослойных структур. Идеи о возможности использования рентгеновского
рассеяния для диагностики магнитных материалов с целью изучения особенностей их
строения были высказаны уже в 70-х годах прошлого века. Однако работы в этом
направлении сдерживались как недостаточной мощностью источников рентгеновского
излучения, так и ограниченностью образцов для исследований. Бурное развитие
синхротронных источников предоставило возможность работы с любыми длинами волн,
поляризацией излучения и, в частности, позволило исследовать рентгеновские спектры
рассеяния вблизи L2,3 и М4,5 краев поглощения с высокой чувствительность к магнитным
свойствам атомов. Основной особенностью таких спектров является их зависимость от
состояния внешних электронных оболочек резонансных атомов, что определяет
чувствительность резонансных спектров поглощения и рассеяния рентгеновского
излучения не только к электронной структуре, химическим связям, симметрии
ближайшего окружения, но и к магнитным параметрам исследуемого атома. Все это
позволяет говорить о формировании нового (отличного от магнитометрии,
магнитооптики, нейтронографии и др.) метода в исследовании магнетизма.
Большой интерес к низкоразмерным магнитным гетероструктурам связан как с
изучением их фундаментальных свойств, так и с перспективностью их использования в
современном приборостроении. Резонансное магнитное рассеяние рентгеновского и
синхротронного излучения позволяет помимо извлечения профиля электронной
плотности по глубине структуры подойти к проблеме восстановления профиля
магнитного момента по глубине многослойной структуры. Эта открывающаяся
возможность имеет существенное значение, как в фундаментальных исследованиях, так и
для диагностики современных многокомпонентных многослойных материалов,
являющихся основой будущей спинтроники.
Высокая чувствительность резонансного рассеяния к парциальным магнитным
вкладам атома обусловлена многообразием явлений вблизи краев поглощения. Однако
полной теории рассеяния вблизи резонанса до настоящего времени не существует, что
создает проблему извлечения искомых параметров при решении обратной задачи.
Поэтому развитие адекватных моделей магнитного резонансного рассеяния и его
моделирование для описания спектральной зависимости наблюдаемых эффектов является
насущной задачей. Одним из путей ее решения это необходимость перехода от скалярного
к тензорному описанию поляризуемости среды вблизи краев поглощения. Решению этой
проблемам и посвящена рецензируемая диссертационная работа Репченко Ю.Л., что
обуславливает ее своевременность и актуальность.
1
Рецензируемая диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов,
приложения и содержит 166 страниц текста, включая 18 страниц приложения, 64 рисунка
и список литературы из 202 наименований.
Во введение в полной мере отражена актуальность работы и сформулирована цель.
В нём сформулированы также научная новизна и практическая значимость
представляемой работы.
Первая глава диссертационной работы посвящена краткому обзору современных
синхротронных исследования твёрдых тел и многослойных структур, и приведены
примеры таких исследований. Описаны основные возможности и краткая история
развития метода ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения (XANES).
Приводятся примеры работ, в которых характерные особенности спектров поглощения
вблизи краёв поглощения атомов с разной электронной структурой использовались в
качестве «fingerprints» для химического анализа вещества. Кратко излагаются основные
подходы для ab initio расчётов спектров поглощения. Особое внимание уделено
рентгеновским методам, позволяющим исследовать магнитные свойства многослойных
плёнок таким как метод рентгеновского магнитного кругового дихроизма (XMCD), метод
рентгеновской резонансной магнитной рефлектометрии (XRMR). Последний параграф
обзорной главы посвящён теоретическим подходам в теории рентгеновской резонансной
магнитной рефлектометрии, таким как формализм собственных волн и матричная теория.
Показано, что все современные подходы к теории резонансной магнитной
рефлектометрии связаны с весьма времязатратными вычислениями, так что модельная
подгонка экспериментальных спектров этими методами может занимать недели и даже
месяцы для сложных многослойных структур. Таким образом, Репченко Ю.Л.
обосновывает поставленную задачу диссертационной работы. Приведённый анализ
литературы отражает умение диссертанта работать с первоисточниками.
Вторая глава посвящена теории рентгеновского отражения от анизотропных слоев в
кинематическом приближении. В первом параграфе представлен алгоритм перехода от
точной теории отражения к кинематическому приближению в скалярном случае. Переход
к кинематической теории из рекуррентных соотношений Паррата осуществляется
следующим образом: во-первых, пренебрегают многократным отражением в каждом слое
(то есть отбрасывают знаменатель в формуле Паррата) и, во-вторых, используют
приближенное выражение для квадратного корня, определяющего нормальные
компоненты волновых векторов.
При переходе к кинематическому приближению в анизотропном случае исходными
формулами были рекуррентные выражения, обобщающие известные соотношения
Паррата, но в матричном виде. Пренебрегая многократным отражением в каждом слое, в
работе был получен коэффициент отражения от многослойной структуры в виде суммы
матричных коэффициентов однократного отражения от кажого слоя с соответствующими
фазовыми сдвигами и поляризационными преобразованиями.
В третьем параграфе для конкретного вида тензора диэлектрической проницаемости,
а именно для случая, когда намагниченность многослойной структуры ориентирована в
плоскости поверхности, были получены приближенные выражения для матричных
показателей преломления и коэффициентов однократного отражения, являющихся
строительными блоками кинематической теории магнитной рефлектометрии. Затем было
сделано обобщение на случай произвольного вида тензора диэлектрической
проницаемости.
В четвёртом параграфе представлены результаты модельных расчетов, в которых
проверялась применимость разработанного кинематического приближения. Отмечу, что
всегда существует искушение сократить время расчетов за счет использования упрощенной
2
теории. Однако диссертант, что показывает серьезность и тщательность его исследования,
поставил своей целью доказать границу применимости своей модели. Разработанный
алгоритм был реализован в компьютерных программах и были проведены вычисления кривых
отражения и их асимметрии по поляризации для многослойной стурктуры с
антиферромагнитным и геликоидальным магнитным межслойным упорядочением. Расчёты
подтвердили предположения, что для углов, существенно превышающих критический угол
полного внешнего отражения (  ~ 3 c ), кинематическое приближение, дает адекватный
результат по сравнению с точным расчетом.
Третья глава диссертации посвящена анализу изменений формы ближней тонкой
структуры спектров поглощения (XANES), измеряемых по полному выходу электронов
(ПВЭ), в зависимости от угла скольжения падающего рентгеновского излучения.
Измерения ПВЭ спектров поглощения при различных углах падения важно для изучения
анизотропных свойств поглощающих молекул, для увеличения освещаемой области, а
иногда они вызваны условиями эксперимента. В работе приведены экспериментальные
спектры поглощения для плёнки GaInP полученные вблизи L2,3 края поглощения фосфора,
который демонстрирует очень нетривиальные трансформации формы при малых
скользящих углах. При моделировании спектров поглощения в работе учитывалась разная
природа возбуждаемых электронов в плёнке (фотоэлектроны и Оже-электронов при
резонансном фотопоглощении), а также их разная резонансная зависимость поглощения.
Для описания трансформаций резонансной линии спектра поглощения для малых
скользящих углов автор варьировал относительную величину двух вкладов в полный
выход электронов, а также абсолютную величину оптических констант. Проведенное
моделирование позволило сделать вывод о возможности использования трансформации
формы спектра поглощения ПВЭ для определения абсолютных значений реальной части
восприимчивости среды.
Четвёртая глава диссертации посвящена объяснению наблюдаемого слабого
«пичка» на кривых выхода флуоресцентного излучения от плёнки YFe2, угловое
положение которого изменялось с энергией падающих фотонов вполне систематически.
Всесторонний анализ геометрии эксперимента и возможность наблюдения этой
особенности, а также найденная ее угловая зависимость позволили автору предположить,
что «пичок» обусловлен дифракционным отражением (111) от кристалла YFe2.
Обнаруженный эффект подтолкнул Репченко Ю.Л. к детальному рассмотрению
вблизи края поглощения спектральной зависимость углового положения максимума
брэгговского отражения в условиях резко асимметричной дифракции.
Во второй части четвертой главы рассматривалась теория резко ассиметричной
дифракции в кинематическом и динамическом двухволновом приближении. Были
получены дисперсионные уравнения для излучения σ и π – поляризации (четвёртой
степени относительно поправки на преломление). Найдены собственные векторы
i
i
электрического и магнитного поля излучения преломленной волны E1 , H1 , отвечающих
каждому из двух уравнений и сформулирована граничная задача для нахождения
амплитуд преломленных, отраженных и дифрагированных волн в общем некомпланарном
случае. Проведенные расчеты по кинематической и динамической теории
продемонстрировали, что влияние эффекта преломления на положение дифракционного
максимума в условиях резко асимметричной дифракции весьма значительно для
идеальной структуры и может использоваться для измерения оптических характеристик
для жесткого рентгеновского излучения. Особенно хочется выделить результат,
полученный Ю.Л. Репченко, по расчету положения дифракционного пика для правой и
левой круговой поляризации с учетом магнитной добавки к восприимчивости вблизи
краев поглощения. Анализ расчетов показал, что разница в магнитных добавках к
3
рентгеновской восприимчивости может быть определена в условиях резко асимметричной
дифракции.
К наиболее важным результатам автора можно отнести следующие:
 Получены общие формулы для отражения рентгеновского излучения от
системы анизотропных мультислоев в кинематическом приближении и
определена граница их применимости.
 Впервые дано объяснение искажений спектров полного электронного
выхода вблизи краев поглощения за счет резонансного и нерезонансного
вкладов в суммарную зависимость регистрируемого сигнала.
 Предложена методика определения магнито-оптических констант
материалов по угловому положению брэговских максимумов вблизи краев
поглощения рентгеновских лучей в условиях асимметричной дифракции на
основе угловых положений для правой и левой круговых поляризаций.
 Разработан пакет программ для обработки экспериментальных кривых
полного выхода электронов в условиях резонансного рассеяния от
многослойных структур.
Все результаты получены в рамках единой теории и в тех случаях, где
соответствующие эксперименты были проделаны, результаты экспериментов не
противоречат с основными выводами. Непосредственное практическое значение имеет как
созданный автором общий пакет программ для расчетов спектров отражения, так и
выводы об оптимальных условиях наблюдения магнитных эффектов. Основные
результаты, полученные автором и использованные в диссертации, своевременно
опубликованы в 3 статьях в отечественных и международных изданиях, доложены на 10
российских и международных школах и конференциях.
Автореферат полностью соответствует содержанию диссертации
Диссертационная работа Репченко Ю.Л. не лишена недостатков. В связи с этим
следует сделать следующие замечания:
1.
В главе 2 выводах к ней не обсуждается проблема моделирования реальных
образцов, параметры которых могут иметь разброс: на сколько это могло бы
привезти к трансформации кривых.
2.
В главе 3 при математической обработке экспериментальных данных не
учитываются ошибки эксперимента, поэтому минимизация функционалов невязки
имеет скорее показательный характер о работоспособности теории, чем
практический. Не проведено обсуждение точности вычислений по определению
структурных параметров исследуемых материалов.
3.
Предложенная методика по определению магнито-оптических констант в
главе 4 не была достаточно подтверждена дифракционными исследованиями
реальной структуры образца.
4.
По оформлению: бросается в глаза в названии глав и параграфов смесь
русских слов и аббревиатур на английском языке. Такая небрежность отталкивает
читателя от прочтения материала диссертации.
5.
На стр. 149 в [80] ссылке нет названия статьи.
В целом, несмотря на замечания, диссертационная работа Ю.Л. Репченко
представляет собой квалифицированный, логически стройный и вполне законченный
4
труд. Поставленная перед соискателем научная задача успешно решена. Работа выполнена
на высоком научно-теоретическом уровне. Все представленные в диссертации результаты
являются новыми. Диссертация удовлетворяет всем требованиям «О порядке присуждения
учёных степеней», предъявляемым ВАК Российской Федерации к кандидатским
диссертациям, а ее автор, Ю.Л. Репченко, несомненно, заслуживает присвоения ему
ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 –
физика конденсированного состояния и 05.13.18 - математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ.
Ведущий научный сотрудник
ФАНО ФГБУН Физико-технологического института РАН
доктор физ.-мат. наук
Андрей Александрович Ломов
Ученый секретарь
ФАНО ФГБУН Физико-технологического института РАН
кандидат технических наук
В. А. Кальнов
e-mail lomov@ftian.ru
117218, г.Москва, Нахимовский проспект, 36/1, ФТИАН РАН
Тел: 8(499)129-68-10
5