Рентгеновская и просвечивающая электронная микроскопия

Рентгеновская и
просвечивающая электронная
микроскопия магнитных структур
Аспирант 1-го года обучения Татарский Д.А.
Магнито-силовая микроскопия
Массив Co-Cr частиц
Миронов В.Л., Основы сканирующей зондовой микроскопии
Лоренцевская микроскопия
Ren Chao Che, Chong Yun Liang, Xiang He et al.
Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 025004 (2011)
План семинара. Ч.1
Рентгеновские лучи
Магнитный круговой дихроизм
рентгеновских лучей (XMCD)
 Магнитная рентгеновская
микроскопия (эксперимент)
 Взаимодействие рентгеновского
излучения с веществом (теория)

Магнитный круговой
дихроизм рентгеновских
лучей (XMCD)
X-ray absorption spectroscopy (XAS)

p

 p k

ki


s
Поглощение, отн.ед.
XANES
f
s
EXAFS

 L,R
~100-200 эВ
Энергия, эВ

1 
 s  i p 

2
Поглощение, отн. ед.
X-ray magnetic circular dichroism
700
+, –
Fe L3
~ mz
Fe L2
~ mz
Энергия, эВ
730
J.J. Rehr, R.C. Albers, Rev. Mod. Phys. 72, 621 (2000)
Рентгеновские микроскопы
Photoemission electron
microscope,
SPELEEM@BL17SU, Japan
Разрешение: 22 нм
Изображение доменной структуры
http://www.spring8.or.jp/
Рентгеновские микроскопы
X-ray transmission microscope
(использует зонные пластинки
Френеля)
XM-1, Berkley
Разрешение: 15 нм
Доменная структура CoCrPt
D.-H. Kim, P. Fischer, W. Chao et al., J. Appl. Phys. 99, 08H303 (2006)
Взаимодействие рентгеновского
излучения с веществом
(полуклассическая теория)
Полное сечение фотопоглощения
Золотое правило Ферми:
 ~

 2
ˆ
f ; k f Vint i; ki  E f  Ei  cki  k f 
i, f
  Z  iki ra 
ˆ
Vint  e    ra e 
 a 1

 iki ra
 iki r
 rae  r e

ki
Z
Одноэлектронное приближение
a 1
Дипольное приближение

ik i r
 1  ...
  a0
e
i  f

kf
 2
   4  f  r i  E f  Ei   
2
i, f
Круговая поляризация фотонов
 


ki ;  L   s  i p
 


ki ;  R   s  i p
Y1*, 1
Y1*,1
Y1, 1  ;   ~ e
~
2
 i

 L ; R ~ e  i
;

 Y  ; 
*
1, 1
L,R
2
d  0
0
~
2

 Y  ; 
*
1, 1
0
L,R
2
d  0
Зонная структура 3d ферромагнетика
Fe, Ni, Co
E
Наличие взаимодействия
между орбитальным
4s-зона
моментом глубокого
EF
электрона со спинами
электронов 3d-зоны
3d-зона приводит к появлению
«эффективного»
g(E)
магнитного поля
Плотность состояний Ni,
down
up
Физика магнитных явлений
Г.С. Кринчик (1976)
Двухуровневая система с расщеплением
конечного состояния

 ˆ  
L

Hˆ 0  Hˆ 0  Vˆint    l  Beff 


l  1; m  0;1
E1  
E1
i   0 r Yl ,m  ;  
E1  
0
Yl 1,m 1  ;  

f   1 r  Yl 1,m  ;  
Y
 l 1,m 1  ;  
E0

i, f

f ri
2


XMCD
* 
 * 
 *  
~ C0      ImC1 m      C2 m   m   
План семинара. Ч.2
Электроны




Взаимодействие быстрых электронов с
веществом (теория)
Магнитный киральный дихроизм
энергетических потерь электронов (EMCD)
EMCD в просвечивающей электронной
микроскопии (ПЭМ)
Сравнение методов EMCD и XMCD
Взаимодействие быстрых
электронов с веществом
Переходы в непрерывном спектре.
Теория возмущений
di f


2

i; ki Vˆint f ; k f
i, f 
2
 E f  Ei  E 
2
2
Z
Ze
e
Vˆint 
  
r
a 1 r  ra

k 2f  ki2 
E 
2m
2
d k f
2 
3

ki
i  f
Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Курс теоретической физики. Т.3.
Квантовая механика, нерелятивистская теория

kf
Дифференциальное сечение рассеяния
  
q  k f  ki

m2 k f
 2 4
 i , f 4  ki
3
3
3
*  
d
r
...
d
r
d
r

f r1...ra  
 1 a
2
 Ze
e  iqr  
 
    e  i r1...ra   E f  Ei  E 
a 1 r  ra 
 r
2
Z
2

 iq r
e
4 iqra
3
 r  ra d r  q 2 e


iqra
e
 1  iqra
 

 i , f r1...ra    i , f r 
Сходство между поглощением
рентгеновских лучей и неупругим
рассеянием электронов
Electron Energy loss near edge structure (ELNES)
 2
4 2 k f
 2 4
 i , f a0 q ki
  
 2
f qr i  E f  Ei  E  q  q1  iq2
X-ray absorption near edge structure (XANES)
 2
   4  f  r i  E f  Ei   
2
i, f
A.P. Hitchcock, Jpn. J. Appl. Phys. 32 (suppl.2), 176 (1992)



   s  i p
Магнитный киральный
дихроизм энергетических
потерь электронов (EMCD)
«Круговая поляризация» электронов
Интерференция двух волн
 
ki1; q1
 
ki 2 ; q2 q
2


q1

 
q1  iq2
Спектрометр Маха-Цендера
Источник
Делитель
Если фазовращатель меняет
фазу луча на φ, то:
 
i 
q  q1  e q2
Атом
Фазовращатель
 
k i1 k f

ki 2

q2

q1
P.Neilhebel et al., Phys. Rev. Lett. 85, 1847 (2000)
Энергетический фильтр
Детектор
Реализация спектрометра МахаЦендера в ПЭМ
Делитель: периодическая кристаллическая
структура
 Разность фаз: комплексные амплитуды
соответствующих брэгговских рефлексов
 Кристалл играет роль интерферометра
Маха-Цендера
 Первый эксперимент:
P. Schattschneider, S. Rubino, C. Hebert et al.
Nature 441, 486 (2006)

Форимрование изображения и
дифракционной картины в ПЭМ
Светлопольное и темнопольное
изображения
Устройство ПЭМ с энергетическим
фильтром
Условия наблюдения EMCD
I
I
 EMCD
I  I

I  I
L. Calmels, F. Houdellier, B. Warot-Fonrose et al., Phys. Rev. B 76, 060409 (2007)
J. Rusz, S. Rubino, P. Schattschneider, Phys. Rev. B 75, 214425 (2007)
Измерение EMCD
a) трехлучевая дифракционная картина
b) сигнал EMCD
EMCD в просвечивающей
электронной микроскопии
Магнитная микроскопия высокого
разрешения
– сумма I++I–
P. Schattschneider, M. Stogger-Pollach, S. Rubino et al.
Phys. Rev. B 78, 104413 (2008)
– разность I+ –I–
Распределение намагниченности в
реальном пространстве
EMCD Fe-L3
EMCD Fe-L2
H. Lidbaum, J. Rusz, S. Rubino, Ultramicroscpy 110, 1380 (2010)
Распределение намагниченности в
реальном пространстве
Бактерия
Magnetospirillum
magnetotacticum
Изображение частиц
Сигнал EMCD
M. Stuger-Pollacha, C.D. Treiber, G.P. Resch et al., Micron 42, 456 (2011)
Сравнение методов XMCD и EMCD
XMCD
 Возможно изучение
образцов любой
структуры
 Необходимость иметь
синхротронный источник
 «Низкое» латеральное
разрешение (~10 нм)
EMCD
 Доступность ПЭМ с
энергетическим фильтром
 Высокое латеральное
разрешение (~2 нм)
 Образец должен иметь
кристаллическую
структуру на
соответствующих
масштабах
Спасибо за внимание!