Многослойные структуры для «водного окна» на основе скандия

Многослойные структуры
для «водного окна»
на основе скандия
Аспирант первого года обучения Гайкович Пётр Константинович
Научный руководитель: д. ф.-м. н., зав. лаб. Чхало Николай Иванович
Отдел многослойной рентгеновской оптики
Рентгеновское излучение
10  100 í ì

   0.3  10 í ì
  0.3 í ì

p
aB
Пусть

— экстремальное ультрафиолетовое
— мягкое рентгеновское
— жёсткое рентгеновское
maB
 0
  0.1í ì   
0
16
2 c

maB
2
10 c
  1018 c 1

2

2
  1  2 ,  p  4 Ne / m

p
1
Рассеяние рентгеновского излучения
f  f1  i  f 2
f1
— атомный фактор рассеяния
— число эквивалентных рассеивающих электронов
f 2 — мнимая часть отвечает за поглощение волны
  1    i   
2
— диэлектрическая
проницаемость
2

  r0 N A   f1 
 
 
2 M  f 2 
 
Рассеяние рентгеновского излучения
Sc (скандий):
 f1   8.024 
M = 44.956

;



3
ρ = 2.99 г/см  f 2   2.469 
λ = 4.47 нм
    2.8790E  03 
 

    8.8584E  04 
   0.9942  i  0.0018
 1
Полное внешнее отражение
θ
n 
Закон Снеллиуса:
nv  1
φ
nv cos( )

      c
n cos( )
cos(c )    c  2
Sc :   4.47 í ì , c  7.59 102  4.35
Коэффициенты отражения
rFs 
rFp 
 v  cos 2     cos 2 
 v  cos 2     cos 2 
Формулы Френеля
  v  cos 2    v   cos 2 
  v  cos 2    v   cos 2 
R    r
f 2
 rf rf*
— энергетический коэффициент
отражения
    
 1
R
, ãäå     
2
4sin 
cos(2 )
R  90  
2
16
1
Sc :   4.47 í ì , R  2.28 106
Поглощение излучения
Фотоэффект — энергия фотонов затрачивается на
ионизацию атома.
Ионизация возможна, если энергия фотона больше
энергии ионизации электрона.

z
I ( z )  I 0e  , 
— средняя длина поглощения
Sc :   4.47 í ì ,   0.4016μì
Воздух: λ = 1 нм — поглощение на 1 миллиметре (!)
составит более 20%, значит максимальная длина волны
для работы в атмосфере составляет около 0.3 нм
Преломляющая классическая
оптика
R
F
— фокусное расстояние линзы
n 1
Sc :   4.47 í ì , n  0.99712  F  340 R
Фокусирующие линзы вогнуты
F  1ì
 R  1ì ì
Большое поглощение позволяет работу только в
жёстком рентгеновском диапазоне, а радиусы
поверхностей составляют порядка единиц микрон.
Проблемы зеркальной
рентгеновской оптики
1) n<1, |n-1|<<1
2) Наличие поглощения
3) Отсутствие рефрактивной оптики
4) Возможна лишь оптика, работа которой
основана на эффекте полного внешнего
отражения, а это значит малые рабочие углы
и значительные геометрические аберрации.
Многослойные ИДЕАЛЬНЫЕ
рентгеновские зеркала
1977 г. – А. В. Виноградов, Б.Я. Зельдович - теория
 1979 г. – С.В. Гапонов, Н.Н. Салащенко(СССР), Шпиллер (США)

L = Nd
d1

d
d
2
Условие Брэгга:

2d sin  B  m
(z)
1
z
0
h2
h1 L
Многослойные ИДЕАЛЬНЫЕ
рентгеновские зеркала
Am (0)  1
A(z )
B (z )
r  Bm (0)
0d
L
Два масштаба:
d – период структуры
t  Am ( L)
Lex ~ d/(ε1-ε2 ) – масштаб
Bm ( L)  0 затухания поля вглубь
среды
z
E( z) 
imz / d
 ( z )   0    m ( z ) exp( 2imz / d ),
 Bm ( z )e imz / d
   Am ( z )e
H ( z )
S:
 
E    
c
2
  cos   E  0
2
 

H   H       cos 2   H  0

c
2
P:
 iAm  um Am    m Bm ,

 iBm  um Bm   m Am
Многослойные ИДЕАЛЬНЫЕ
рентгеновские зеркала
i  mth m L 
rm 
,
 m  iu mth m L 
 m ch 1 ( m L)
tm 
,
 m  iu m  th m L 
d   
 m 
2
um 
(


sin

)






0
2m  c 
 d 
2
отстройка от резонанса
(Условие Брэгга – um = 0 )
2

,

 m
 m    m  m  um2
2
     m d 1  s
 

 c  2m cos 2 B  p
определяет ширину резонанса
Lex = 1/m - длина экстинкции
•L << Lex – кинематическое приближение: нет взаимодействия между
волнами, слабое отражение R~(L)2 <<1.
•L >> Lex – динамическое приближение: взаимодействие между волнами,
сильное отражение – R=1 без поглощения.
Cr/Sc
dCr = 1.9 nm
dSc = 3.2 nm
(d = 5.1 nm)
N = 200
λ = 4.305 nm
(E = 285 eV)
Многослойные РЕАЛЬНЫЕ
рентгеновские зеркала
  i     i
ïë
i
ïë
i

   ( x, y, z)   ( z)
z
y
x
 2 — äèñï åðñèÿø åðî õî âàòî ñòåé
 2ï ë  1ï ë
am 
sin( m )
m
 0  1ï ë    2ï ë (1   )
am  ame

qm2  2

2
 ( z )   0  2  am e
m 
m0
qm2  2

2
Rm ( L)  R ( L)e
0
m
cos(qm z )
 qm2  2
Окно прозрачности воды
Сфера применения МС «водного окна»
-
-
рентгеновская микроскопия
изучение плазменных источников
рентгеновская астрономия
свободновисящие делители,
фазовращатели и поляризаторы пучков
Хром-скандиевые структуры
  (1    i )²
Недостатки Cr/Sc многослойных
структур
Не самый большой скачок
диэлектрической проницаемости
 Необходимость напыления большого
числа слоёв для создания структур
с требуемыми характеристиками

Задача

Поиск новых пар материалов: моделирование
структур на их основе с целью повышения
пикового и интегрального коэффициентов
отражения зеркал нормального падения и
уменьшения необходимого числа слоёв для
фазовращателей, их синтез и изучение
Поиск материалов
  (1    i )²
Поиск материалов
  (1    i )²
Поиск материалов
Зеркала нормального падения
Сравнительные характеристики
Зеркала нормального падения,
, °
, nm
88
3.14
Поиск материалов
Поляризаторы
Сравнительные характеристики
Фазовращатели
Состав
N
Cr/Sc
200
Co/Sc
113
V/Sc
340
Ni/Sc
100
Cu/Sc
107
, nm
Δφ, °
, °
E, eV
0.3
90
26
285
Изучение Cr/Sc структур
Изучение Cr/Sc структур
Результаты
•Проведено моделирование Sc-содержащих
многослойных зеркал и фазовращателей на предмет
поиска альтернативы хрому в качестве
сильнопоглощающего материала.
• Показана перспективность использования кобальта в
таких структурах.
•Получены и исследованы Cr/Sc зеркала, изучены
свойства межслойных границ, плотности плёнок.
•


План дальнейшей работы
Создание и изучение свойств Cr/Sc фазовращателей для
диапазона 270-300 eV для исследований на синхротроне
BESSY2
Создание и изучение свойств аналогичных структур на
основе Co0.8Cr0.2/Sc
Публикации

Андреев С. С., Барышева М. М., Вайнер Ю. А.., Гайкович П. К., Парьев Е. Д.,
Пестов А. Е., Салащенко Н. Н., Чхало Н. И. Многослойные структуры на
основе Cr/Sс и Co/Sc // Труды XV международного симпозиума «Нанофизика
и наноэлектроника» (14-18 марта 2011 г., Нижний Новгород), т. 2, с. 594-595.
Спасибо за внимание