Рентгеновская диагностика слоёв и интерфейсов в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах

Саламатов, Юрий Александрович

Рентгеновская диагностика слоёв и интерфейсов в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Саламатов, Юрий Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Рентгеновская диагностика слоёв и интерфейсов в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах»

Автореферат диссертации на тему "Рентгеновская диагностика слоёв и интерфейсов в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах"

На правах рукописи

САЛАМАТОВ Юрий Александрович

РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИАГНОСТИКА СЛОЁВ И ИНТЕРФЕЙСОВ В СЛАБОКОНТРАСТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ^НАНОГЕТЕРОСГРУКТУРАХ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 Р АПР 2013

Екатеринбург-2013

005057558

Работа выполнена в лаборатории электрических явлений федерального

государственного бюджетного учреждения науки Ордена Трудового Красного Знамени Института физики металлов УрО РАН (ИФМ УрО РАН)

Научный руководитель: Бабанов Юрий Александрович, доктор физико-

математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории электрических явлений ИФМ УрО РАН

Официальные оппоненты: Васьковский Владимир Олегович, доктор физико-

математических наук, профессор, зав. кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов Уральского федерального университета

Гребенников Владимир Иосифович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ИФМ УрО РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова" (г. Москва)

Защита состоится «26» апреля 2013 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при ФГБУН Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов по адресу 620990, г. Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан « » А&УСМЖ- 2013 г. Учёный секретарь

диссертационного совета / )

доктор физ.-мат. наук Лошкарева Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Металлические многослойные наногетероструктуры представляют научный и практический интерес благодаря своим уникальным электрическим и магнитным свойствам, в частности, эффекту гигантского магнитосопротивления. Они также являются удобными объектами для изучения магнитотранспортных свойств и магнитных взаимодействий в

низкоразмерных системах.

Изучение механизмов, приводящих к возникновению данных явлений, ставит перед нами проблему связи атомной структуры многослойной плёнки с её электрическими и магнитными свойствами. Для изучения атомной структуры обычно применяются рентгеновские методы, но при этом возникает ряд трудностей. Для синтеза многослойных плёнок часто используются атомные элементы с близкими электронными структурами атомов (Ре, Сг, V и т.п.), которые очень сложно различить в рентгеновском эксперименте. Дифракция и ЕХАРБ-спектроскопия дают усредненную по области засветки информацию, то есть значения параметров атомной структуры. Отследить изменения в области интерфейсов, которые происходят на масштабах 1-10 А невозможно, поскольку первичный пучок проникает на всю глубину плёнки, которая составляет обычно десятки нанометров. Для обработки экспериментальных данных, как правило, используется метод подбора решения и прямой проверки. При таком способе получаемое решение зависит от выбора начальной модели и её параметров. Подробное рассмотрение возможностей и недостатков данных методик можно найти в работах [1,5-8].

Таким образом, необходим метод комплексного исследования локального атомного строения на различной глубине в многослойных наногетероструктурах, подходящий для слабоконтрастных систем. Метод должен быть модельно-независимым, чтобы обеспечивать максимальную объективность получаемого решения.

Целью данной работы являлась разработка безмодельного метода диагностики локального атомного строения с разрешением по глубине в слабоконтрастных системах и его апробация в применении к экспериментальному исследованию структурных характеристик многослойных металлических наногетероструктур.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи: 1. Разработка теоретических основ предлагаемого метода диагностики локального атомного строения с разрешением по глубине, включающего в качестве составных частей: на первом этапе определение для слабоконтрастных систем элементного профиля по данным рентгеновской рефлектометрии, на втором этапе определение парциальных межатомных расстояний для перекрывающихся сфер.

2. Экспериментальное исследование локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа Ре№/У методом ЕХАРБ-спектроскопии.

3. Определение концентрационных элементных профилей (толщин слоев и интерфейсов) для слабоконтрастных одно- двух- и трёхслойных наногетероструктур типа Сг/Ре/Сг из экспериментальных данных рентгеновской рефлёктометрии.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Предложен безмодельный метод исследования локального атомного строения слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктур с разрешением по глубине.

2. Показана возможность определения с малой погрешностью (±0,01 А) искажений локального атомного строения в слабоконтрастных многослойных системах из экспериментальных данных по ЕХАРБ-спектроскопии.

3. Предложена безмодельная методика определения концентрационных профилей и толщин слоев в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах.

Научная и практическая ценность работы:

1. Предлагаемый в работе метод диагностики позволяет получать с высокой точностью (~0,01 А) сведения о локальном атомном строении на различной глубине на уровне парциальных межатомных расстояний, что необходимо для построения модели кристаллической решётки и расчёта магнитных свойств.

2. Каждая методика, входящая в предлагаемый метод диагностики (ЕХАРБ-спектроскопия слабоконтрастных систем, ЕХАР5-спектроскопия с разрешением по глубине (~1 А), определение концентрационных профилей по данным рентгеновской рефлектометрии), имеет самостоятельное значение и может применяться независимо от других.

3. Полученные структурные характеристики исследованных в работе многослойных плёнок могут быть использованы в дальнейшем при изучении их магнитных и магнитотранспортных свойств.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретические основы безмодельного метода диагностики локального атомного строения на различной глубине.

2. Модельный численный эксперимент по определению локального атомного строения на различной глубине в наногетероструктуретипа Сг/Ре/Сг.

3. Результаты исследования локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа Ре№/\Л

4. Определение концентрационных профилей и толщин слоёв в слабоконтрастных многослойных наногетероструктурах типа Сг/Ре/Сг.

Личный вклад автора. Совместно с Бабановым Ю. А. автор участвовал в постановке задачи исследования, разработал методы получения структурной информации из угловой зависимости EXAFS-спектров и рефлектометрических кривых, провёл их апробацию на модельных и экспериментальных данных. Соответствующее программное обеспечение для проведения расчётов создано лично автором (кроме программы для расчётов по алгоритму Парратта). Автор также принимал личное участие в планировании и проведении рентгеновских экспериментов на станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва; совместно с Мухамеджановым Э. X.). Все публикации, раскрывающие результаты работы, создавались при непосредственном участии автора. Основные результаты и выводы диссертации были сформулированы автором.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVII Международной конференции по использованию синхротронного излучения (г. Новосибирск, 2008 г.); Международных междисциплинарных симпозиумах «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008, 2010, 2012); IX, X и XI Всероссийских школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008, 2009, 2010); Всероссийской конференции «Химия твёрдого тела и функциональные материалы» (г. Екатеринбург, 2008); XIII Национальной конференции по росту кристаллов (г. Москва, 2008); XIV Международной конференции по XAFS-спектроскопии (Камерино, Италия, 2009); XLIV и XLV Зимней школе ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (г. Санкт-Петербург, 2010, 2011); XX Всероссийской научной конференции «Рентгеновские электронные спектры и химическая связь» (г. Новосибирск, 2010); IV Евро-азиатском симпозиуме «Trends in Magnetism. Nanospintronics» (EASTMAG, г. Екатеринбург, 2010); XII Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2011); Международной конференции, посвященной памяти В. К. Иванова (г. Екатеринбург, 2011), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «The 8th International Symposium on Metallic Multilayers (MML-2013)» (Киото, Япония).

Достоверность результатов обеспечивается теоретическим обоснованием используемых алгоритмов обработки экспериментальных данных и их апробацией на модельных численных расчётах, воспроизводящих условия реальных экспериментов. Все предлагаемые методики являются безмодельными, что повышает объективность получаемых результатов. Рентгеновские измерения проводились на современном высокоточном оборудовании станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва). Полученные данные

обрабатывались различными алгоритмами, результаты согласуются между собой.

Работа выполнялась в Институте физики металлов УрО РАН в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме «Спин», при поддержке РФФИ (гранты № 08-02-99083 р_офи и № 12-02-31563-мол_а), Президиума РАН (гранты № 09-П-2-1032 и 12-П-2-1032) и ведущей научной школы НШ-6172.2012.2.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 статьях, в том числе б из них опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Объём и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 126 страницах печатного текста, включая 60 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список содержит 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В первой части рассмотрены свойства многослойных металлических наногетероструктур, в частности, межслойное обменное взаимодействие и гигантский магниторезистивный эффект.

Во второй части рассматривается метод ЕХАРБ-спектроскопии, позволяющий определить локальное атомное строение. При проведении эксперимента снимается спектр поглощения образца в широкой (~ 1 кэВ) области за краем поглощения одного из химических элементов, входящих в его состав. В диапазон также попадает край поглощения и порядка 200 эВ из предкраевой области. Для определения локального атомного строения необходимо решить интегральное уравнение [1]

Здесь к - волновой вектор; х(к) - осциллирующая часть поглощения, получаемая из экспериментальных данных; /(к,г) - модуль амплитуды рассеяния назад фотоэлектрона; - длина свободного пробега

фотоэлектрона, экспоненциальный множитель учитывает затухание фотоэлектронной волны вследствие неупругих потерь; 23{к) - сдвиг фазы из-за рассеяния на центральном атоме; ф(к,г) - фаза рассеяния назад. Буква I обозначает сорт атома-поглотителя, суммирование ведётся по всем сортам атомов окружения. Для решения уравнения (1) в данной работе используется

метод регуляризации по Тихонову [1, 2]. Результатом являются парциальные парные корреляционные функции дц(г), которые представляют собой плотность вероятности нахождения атома сорта у на расстоянии г от атома сорта ¿. Из этих функций можно получить следующие параметры локального атомного строения: радиусы координационных сфер, координационные числа, среднеквадратичные отклонения атомов от положений равновесия вследствие тепловых колебаний.

В третьей части рассмотрен метод рентгеновской рефлектометрии, применяющийся, как правило, для анализа тонкоплёночных систем и основанный на изучении характера изменения показателя преломления в образце. Показатель преломления связан с электронной плотностью и атомными характеристиками рассеяния. Дано описание динамической теории расчёта рефлектометрических кривых. Кратко рассмотрены различные методы определения потенциала рассеяния по рефлектометрическим данным, основанные как на динамической, так и на кинематической теории.

В заключении к первой главе подведены итоги сделанного обзора и отмечены проблемы применения рассмотренных методов и подходов к исследованию многослойных металлических наногетероструктур. На основании этого сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию нового метода исследования локального атомного строения с разрешением по глубине. Идея метода состоит в проведении эксперимента по ЕХАЯ5 спектроскопии с угловым разрешением и получение интенсивности флуоресцентной линии для каждого элемента в образце как функции двух переменных - угла падения рентгеновских лучей на образец и энергии фотонов. В традиционной постановке эксперимент проводится при неизменном угле падения. В новой постановке эксперимента получается интегральное уравнение, связывающее интенсивность флуоресцентной линии некоторого элемента, его концентрационный профиль и коэффициент поглощения.

Здесь 1г(Е,ф) - интенсивность флуоресцентной линии, как функция энергии Е первичного пучка /„ и угла ср его падения; е - выход флуоресценции в единицу телесного угла, ц(Е,г) - коэффициент поглощения, обусловленный наличием атомов сорта А, как функция энергии Е и глубины г; цТ(Е) - средний коэффициент поглощения образца; цг - коэффициент поглощения для флуоресцентной линии; 9 - угол выхода флуоресценции; О - полная толщина образца. Если р(г,Л) г 1, то получается формула из [3].

В уравнении (2) введена функция концентрационного профиля р(г, А)

piz.A) =

n(z, A)

(3)

п0Ш'

где п(г,А) - атомная плотность элемента сорта А на некоторой глубине г, п0(Л) - атомная плотность в глубине чистого слоя элемента сорта А. Функция р(г, А) есть плотность вероятности найти атом сорта А на глубине г и является канонической функцией распределения по Займану [4].

Если интенсивность флуоресценции измерена в ходе эксперимента, а концентрационный профиль полагается известным, то уравнение (2) позволяет определить характер изменения коэффициента поглощения г) с глубиной. Для решения уравнения (2) используется метод регуляризации по Тихонову.

Новый подход в рефлектометрии слабоконтрастных систем.

В настоящей работе получено простое соотношение, связывающее электронную плотность р(г) с концентрационными профилями элементов, входящих в состав образца.

p(z) = Pi О) • n^j • nQre,

(4)

где nle - число электронов в атоме элемента сорта i, ге = 2.818 ■ 10~s Â -классический радиус электрона. Связь между концентрационными профилями и электронной плотностью проиллюстрирована на рис. 1.

--- Сг ......Ге

ч 2,4-

Î 2,0-о

Я 1,6—

| 1,2-1

2.0,8 t-

% 0,4 —

г-2,4

Л."

- Эл. пл-ть

"I 1 I ' I 1 I 1

30 60 90 120 Глубина z, А

-2,CU <

о.

-1,2 Л H

-0,8 с -0,4 m -0,0

150 180

Рис. 1. Модельные концентрационные профили и электронная плотность трёхслойного образца Сг-Ре-Сг. Электронная плотность не спадает до нуля из-за наличия подложки А12Ог, профили которой не показаны, чтобы не загромождать рисунок. Кривые рассчитаны автором.

Из рис. 1 видно, что использование концентрационных профилей отдельных элементов повышает контраст между слоями из элементов с близкими

значениями электронной плотности. Это повышает точность определения толщины отдельного слоя по данным рентгеновского эксперимента.

В рамках кинематической теории рассеяния автором было получено уравнение, связывающее коэффициент отражения R(s) и концентрационные профили элементов в образце:

(51

Здесь s = 4тг sin - z-компонента вектора рассеяния, в - угол отражения, Я - длина волны первичного пучка; /;(E,s) = //(s) + //(£) - ifj'(E) - фактор атомного рассеяния, //(s) - атомный формфактор, //(Я) и //'(£") ~ аномальные поправки к формфактору, зависящие от энергии фотонов и учитывающие дисперсию и поглощение соответственно. Аномальные поправки существенны лишь вблизи краёв поглощения. Суммирование ведётся по всем элементам, входящим в химический состав образца. Общая схема вывода уравнения заимствована из [5].

Решить уравнение (5) можно двумя способами. Первый - свести его к уравнению, связывающему интенсивность отражения и функцию Паттерсона. К сожалению, интерпретация функции Паттерсона сложна и однозначных сведений о концентрационном профиле (кроме полной толщины плёнки) не даёт. Второй способ - восстановить фазу отражённой волны при помощи логарифмического дисперсионного соотношения, предложенного М. В. Клибановым [6]. Исследование математических свойств этого соотношения и их связь с условиями физического эксперимента можно найти в работах [7,8].

После того, как фаза найдена, можно рассчитать действительную часть коэффициента отражения и решить уравнение

N D И f Л

[fj(E,s) cos(sz) + f;"(E) sin(sz)] (6)

J = 1 0

которое получено выделением действительной части уравнения (5). Для решения уравнения (6) предлагается использовать метод регуляризации по Тихонову.

Определение парциальных межатомных расстояний для перекрывающихся сфер

Как было сказано в первой главе, EXAFS спектроскопия позволяет определить парциальные межатомные расстояния. Эту информацию для перекрывающихся координационных сфер стандартными методами обработки EXAFS спектров (метод наименьших квадратов в сочетании с методом Фурье-преобразования) просто невозможно получить. Однако

учитывая наличие для каждого элемента своей фазы рассеяния, такое разделение межатомных расстояний достигается при решении интегрального уравнения (1) методом регуляризации. В этом коренное отличие ЕХАЯБ спектроскопии от других структурных методов, у которых процесс рассеяния характеризуется только амплитудой. В следующей главе на модельном примере будет показано, как определяется локальная атомная структура в зависимости от глубины (в том числе в интерфейсе).

Таким образом, суть предлагаемого в настоящей работе метода исследования структуры многослойной металлической плёнки заключается в следующем. Проводятся два рентгеновских эксперимента: по рефлектометрии и по измерению зависимости интенсивности флуоресценции от энергии и угла падения. При помощи уравнения (6) определяется концентрационный профиль. Известный концентрационный профиль используется для решения уравнения (2) и нахождения функции Зная коэффициент поглощения

на некоторой глубине, можно использовать уравнение ЕХАРБ-спектроскопии (1) для определения локального атомного строения на этой глубине.

Преимущества предлагаемых методик следующие:

1. Возможность анализировать многослойные системы, состоящие из элементов с близкими значениями электронной плотности, атомных характеристик рассеяния и близкими размерами атомов.

2. Отсутствие необходимости использовать пробную функцию для начального приближения. Известная априорная информация может быть учтена на этапе расчёта ядра интегрального уравнения.

3. Использование на всех этапах предлагаемого метода интегральных уравнений одного типа и одинакового способа решения даёт возможность применять одну компьютерную программу для проведения модельных расчётов и обработки экспериментальных данных.

Разработанные методы могут использоваться как по отдельности, так и в комплементарном подходе.

Третья глава посвящена численному моделированию с целью апробации методики восстановления локального атомного строения с разрешением по глубине. В этой главе описан алгоритм моделирования атомной и химической структуры многослойной плёнки, который может считаться самостоятельным результатом. Показана принципиальная возможность получения информации о концентрационном профиле элемента из данных по угловой зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции этого элемента. Для этого используется уравнение (2) в предположении, что коэффициент поглощения не зависит от глубины и равен среднему по всему образцу.

Э 1.2-1

0 0,9—

§0,6— л

1 0,3—I

-а

гг

Модельный профиль Решение обр. задачи

4 а>

Х6Ч

5 4—

0 30с60 90 120 150 180 глубина г, ангстрем

2 3 4

ф, град

Рис. 2. Слева: модельный концентрационный профиль Сг в трехслойном^ образце Сг/Ре/Сг и профиль, полученный в результате решения обратной задачи. Справа; модельная интенсивность флуоресцентного излучения, как функция угла падения первичного пучка.

Результаты модельного численного эксперимента для профиля Сг в трёхслойной структуре Сфе/Сг представлены на рис. 2. Видно, что решение хорошо воспроизводит все особенности модельного профиля, кривые

различаются примерно на 3,5 %.

Модельный численный эксперимент по восстановлению локального атомного строения с разрешением по глубине начинается с построения парциальных парных корреляционных функций для центрального атома Сг (аналогичное моделирование можно провести и для центрального атома Ре). В качестве модельной структуры выбрана трёхслойная плёнка, концентрационный профиль которой изображён на рис. 2. Модельные парные корреляционные функции представлены на рис. 3. Эти функции отражают слоистую структуру образца. Вблизи интерфейса видны искажения функции, связанные с изменением локального атомного строения.

Рис. 3.Парциальные парные корреляционные функции дСг-сг (слева) и дСг-Ре (справа) как функции расстояния г от центрального атома и глубины г в образце

На втором шаге используется уравнение (1) для построения ЕХАРБ-сигнала на краю Сг (рис. 4). Он тоже «помнит» слоистую структуру образца. Затем при помощи уравнения (2) моделируется угловая зависимость выхода флуоресценции линии Сг Ка1 с развёрткой по энергии первичного пучка (рис. 5).

Рис. 4. Нормированная осциллирующая часть поглощения для края Сг

Функция, изображённая на рис. 5, искажалась статистическим шумом, моделирующим погрешности экспериментальной аппаратуры, и бралась в качестве исходных данных для решения обратной задачи для уравнения (2).

Рис. 5. Выход флуоресценции как функция угла <р падения первичного пучка и энергии Е фотонов

Из полученного коэффициента поглощения выделялась нормированная осциллирующая часть и решалась обратная задача для уравнения (1). В результате был получен набор парциальных парных корреляционных функций для центрального атома Cr. С помощью этих функций были определены межатомные расстояния для пар атомов Сг-Сг и Cr-Fe на различных глубинах. Для примера, в таблице 1 представлены результаты для двух точек по глубине: в центре чистого слоя Cr (1) и на интерфейсе Cr/Fe (2).

Табл. 1. Парциальные межатомные расстояния на различных глубинах в системе Сг-Ре-Сг/А1;Оз- Все значения даны в А._

Расстояние u«.v. Jfiunt....« n----- Cr-Cr Cr-Fe

Глубина 1. Чистый слой 2. Интерфейс 1. Чистый слой 2. Интерфейс

Модель 2,5201 2,5083 - 2,5012

Решение 2,5209 2,5144 - 2,5000

Из таблицы 1 видно, что разница между модельным и найденным в результате решения обратной задачи расстояниями нигде не превышает 0,01 А. Это величина принята за погрешность определения межатомных расстояний предлагаемым методом.

Описанный модельный эксперимент показывает, что методика EXAFS-спектроскопии с разрешением по глубине позволяет получать детальные сведения об искажениях кристаллической решётки в различных слоях и на интерфейсах. Такие данные могут быть полезны для расчёта магнитных и магнитотранспортных свойств многослойных наногетероструктур.

В данной главе описывается также эксперимент по восстановлению концентрационного профиля для двух однородных плёнок Сг(150 А)/А1203. Образцы были синтезированы методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке «Катунь-С» лаборатории электрических явлений Института физики металлов УрО РАН. Измерения угловой зависимости выхода флуоресценции для излучения Сг Ка1 проводились на станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» в Курчатовском центре синхротронного излучения и нанотехнологий (Москва). Результаты представлены на рис. 6.

Восстановление концентрационного профиля хрома показало, что образцы отличаются по толщине. Образец 2 (сплошная линия на рис. 6) имеет толщину 143,5 А, в то время как толщина образца 1 (пунктирная линия) составляет 150 А (что совпадает с заявляемой величиной). Плавный спад концентрации Сг вблизи поверхности обусловлен наличием на ней слоя окисла хрома толщиной 25 А. Погрешность определения толщин определена при помощи модельных расчётов и составляет! 1 А.

2,0—

Образец 1 Образец 2

Щ 1,0—

Образец 1 .Образец 2

5 0,8-

Q.0,2-I-

ф 0,0—

Ф, град

глубина 2, А

Рис. 6. Кривые выхода флуоресценции и экспериментально определённые концентрационные профили для двух образцов Сг(150 А)/А1203

В четвертой главе описывается экспериментальное исследование локального атомного строения многослойных наногетероструктур типа FeNi/V. Образцы [5(Fe82Niia)/6V]25 и [10(Fe82Ni18)/6V]25 были приготовлены в университете Уппсала, Швеция. В этих образцах имеется разная толщина слоев Fe82Ni18 - в первом 5А, а во втором - 10 А, при одинаковой толщине слоя ванадия - 6А. Число пар в образце - 25. Твёрдый раствор FeS2Ni18 получали сплавлением элементов в необходимом процентном соотношении. Этот сплав имеет ОЦК-структуру, близкую по параметрам к структуре ванадия [9, 10]. Образцы приготавливались методом магнетронного распыления на подложках из оксида магния {МдО), вырезанных в плоскости (110). Температура подложек во время синтеза составляла 150°С. Эксперименты проведены на трех К - краях поглощения Fe, Ni и V в Европейском синхротронном центре ESRF (Beam line ВМ 26А, Гренобль, Франция). Эта линия позволяет снимать спектры как в геометрии «на прохождение», так и по флуоресцентной методике. В эксперименте принимали участие Ю. А. Бабанов (ИФМ УрО РАН), Т. Райх (университет г. Майнц, Германия), М. Бьорк (университет г. Уппсала, Швеция).

Задача по определению локального атомного строения для таких систем достаточно сложна по двум причинам:

1. Малы парциальные координационные числа при рассмотрении пар атомов, лежащих на интерфейсе (Fe-V, Ni-V, V-Fe, V-Ni). Соответствующие парциальные парные корреляционные функции дают слабый вклад в EXAFS-спектр (рис. 7), который трудно выделить.

2. Все элементы, входящие в состав образцов, относятся к группе переходных Зс1-металлов. Их атомы имеют сходную электронную структуру и близкие характеристики рассеяния фотоэлектронных волн.

Полный сигнал

Рис. 7. Слева: модельные парциальные парные корреляционные функции для центрального атома Fe. Справа: формирование полного EXAFS-сигнала на краю поглощения Fe из парциальных вкладов, соответствующих функциям слева.

Указанные выше причины приводят к тому, что для слабых функций возрастает погрешность определения межатомных расстояний, причём она может стать больше, чем разница в этих расстояниях.

В настоящей работе для решения данной задачи было предложено использовать алгоритм регуляризации с полным обратным оператором [11]. На модельных расчётах было показано, что погрешность определения межатомных расстояний в этом случае не превышает 0,01 Â. Результаты обработки экспериментальных данных представлены в таблицах 1 и 2.

Табл. 2. Парциальные межатомные расстояния (в Â) для образца [10(Fe82Ni18)/6V]25.____

Край Fe Fe-Fe Fe-Ni Fe-V

2,4915 (±0,003) 2,4860 (±0,009) 2,5304 (±0,005)

Край Ni Nî-Fe Ni-Ni Ni-V

2,4864 (±0,002) 2,4804 (±0,008) 2,5283 (±0,004)

Край V V-Fe V-Ni v-v

2,5092 (±0,008) 2,5035 (±0,003) 2,5515 (±0,007)

Табл. 3. Парциальные межатомные расстояния (в А) для образца [5(Ре82М1в)/6У)25._

Край Ре Ре-Ре Ре-М Яе-У

2,5086 (±0,004) 2,5014 (±0,002) 2,5486 (+0,005)

Край N1 М-Ре N¡-N1 1\НЛ/

2,4946 (±0,004) 2,4883 (±0,002) 2,5407 (±0,006)

Край V \ЛЯе N/-N1 У-У

2,5249 (±0,001) 2,5179 (±0,006) 2,5702 (±0,008)

Полученные данные согласуются с дифракционными экспериментами [9, 10], проведёнными ранее для этих же образцов, и ожидаемым изменением межатомных расстояний в многослойной плёнке. Значения межатомных расстояний могут быть использованы для построения модели структуры и расчёта магнитных свойств.

Из результатов, полученных в данной главе, следует, что в многослойных структурах возникают искажения кристаллической решётки, которые зависят от того, в каком слое расположена рассматриваемая пара атомов. Эти искажения носят периодический характер: решётка «распухает» в слоях ванадия и «сжимается» в слоях пермаллоя; такое изменение повторяется в каждом повторении пары. Интерфейсы, по-видимому, должны являться промежуточной областью, в которой величины межатомных расстояний плавно изменяются в пределах значений, характерных для чистых слоёв. Данные предположения легли в основу модели многослойной наногетероструктуры, которая учитывает изменения локального атомного строения с глубиной и даёт возможность записать уравнение (2), позволяющее определить величины этих изменений из данных ЕХАР5-эксперимента.

В пятой главе описываются результаты экспериментального определения толщин слоёв в многослойных металлических наногетероструктурах. Для проведения исследований были выбраны три образца:

• Плёнка чистого хрома Сг(150 А)/А1203;

• Двухслойная плёнка Сг(20 А)/Ре(130 А)/А1203

• Трёхслойная плёнка Сг(40 А)/Ре(40 А)/Сг(70 А)/А1203;

Образцы были синтезированы методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке «Катунь-С» лаборатории электрических явлений Института физики металлов УрО РАН. Рефлектометрические измерения проводились на станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» в Курчатовском центре синхротронного излучения и нанотехнологий (Москва).

Для всех типов структур были проведены модельные численные эксперименты с использованием методов решения рефлектометрического

уравнения (5) (метод Паттерсона и метод восстановления фазы). По их результатам можно сделать следующие выводы:

1. Погрешность определения толщин слоёв методом Паттерсона составляет ± 0,5 А.

Погрешность определения толщин слоёв методом восстановления фазы несколько выше, но не превышает ± 1 А.

Функция Паттерсона позволяет определить лишь толщину всей плёнки и толщину самого тонкого слоя. Интерпретация остальных пиков неоднозначна. Тем не менее, эта функция даёт полезную априорную информацию об образце, которую можно использовать при решении уравнения (6). На рис. 8 приведён результат модельного численного эксперимента по восстановлению концентрационных профилей Сг и Ре в трёхслойной наногетероструктуре Сг/Ре/А1203. Числовые данные приведены в таблице 4.

0,4—

ф 0,2— х

£ 0,0—1 N

5 -0,2—

о. тз

-0,4

■ Модель Решение

Сг "П

. 0,4

.¿0,24

° 0,0-N

1.-0.2Ч

"О

-0/

"П_1_ГГ"Р~ГГ~ГГ, ,

-30 0 30 60 90 120 150 180 г, ангстрем

• Модель Решение

11 ч ч 11 111: .

-30 0 30 60 90 120 150 180 т., ангстрем

Рис. 8. Определение концентрационных профилей Сг (слева) и Ре (справа) в модельном численном эксперименте для структуры Сг/Ре/А1203

Табл. 4. Сравнение заданных в модели и определённых в ходе численного эксперимента толщин слоёв и интерфейсов в трёхслойной

Слой или интерфейс Окисел Сг Сг Сг/Ре Ре Ре/А1203

Модель 4,0 20,0 4,0 130,0 4,0

Решение 4,0 20,1 4,2 130,3 4,5

Для всех указанных выше образцов были получены и обработаны экспериментальные рефлектометрические кривые. Для примера, на рис. 9 и рис. 10, а также в таблице 5 и таблице б приведены результаты, полученные для структур Сг(20 А)/Ре(130 А)/А1203 и Сг(40 А)/Ре(40 А)/Сг(70 А)/А1203. Съёмка

производилась при энергии вблизи К края Сг 5991 эВ (длина волны Я = 2,06951 А).

Эксперимент • Расчёт по решению

R=2,1%

о;1

02, S, Ä

0,3 0,4

0,4

® 0,2-х

■0-0,2-"й.

•а-0,4

-0,6-

О А

22 А

-30

154 А ¡'

Ч!

■Cr Fe

ЗО 60 90 120 150 180 z, ангстрем

Рис. 10. Экспериментально определённые концентрационные профили Сг и Ре для двухслойной наногетероструктуры Сг/Ре/А\20з

Табл. 5. Экспериментально определённые толщины слоёв и интерфейсов в двухслойной наногетероструктуре Сг/Ре/А12Р3. Все значения даны в А.

Слой или интерфейс Окисел Cr Cr Cr/Fe Fe Fe/Al203

Толщина 4,0±0,0 22,1±0,1 5,1±0,2 132,4±0,3 3,2±0,5

ё 24

СС

О—

Эксперимент Расчёт по решению ^

® 0,03-

о 0,005 -о.озч "о -0,06-

R=3,5%

п1-1—1-1-1

0 0 o!l 0 2 , 03 0,4 s. А"

-0,09-

84 А

42 А

149 А

ЧЧЧЧЧЧЧ

О 0 30 60 90 120 150 180 г, ангстрем

Рис. 11. Экспериментально определённый концентрационный профиль Сг для трёхслойной наногетероструктуры Сг/Ре/Сг/А\203

Табл. 6. Экспериментально определённые толщины слоев и интерфейсов в трёхслойной наногетероструктуре Сг/Ре/Сг/А1203- Все значения даны в А._

Слой или интерфейс Окисел Cr Cr Cr/Fe Fe Fe/Cr Cr Fe/Al203

Толщина 9,3±0,8 42,8±0,4 3,1±0,4 42,2+0,5 4,3±0,9 64,5±0,2 5,3±0,2

Следует отметить, что экспериментально определённые толщины слоёв не совпадают с заданными значениями параметров синтеза. Причин этого расхождения может быть несколько:

1. Систематические и случайные погрешности в определении скоростей и времён роста отдельных слоёв. Приводят к тому, что реальные толщины слоёв в образце действительно отличаются от ожидаемых.

2. Наличие на подложке шероховатостей, линейные размеры которых существенно превышают межатомные расстояния в системе. Такие шероховатости не описываются используемой в предложенных методиках статистической моделью концентрационного профиля. Вносят дополнительную погрешность в определение толщины прилегающего к подложке слоя.

3. Необходимость учёта влияния диффузного рассеяния (важно, если шероховатости интерфейсов наследуются и коррелируют между собой) и особенностей установки (приборной функции), на которой проводится эксперимент по рефлектометрии. Эти факторы могут также приводить к уширению интерфейсов.

Все указанные причины можно включить в рассмотрение и, тем самым, повысить точность методик. Тем не менее, предложенная в работе методика анализа рефлектометрических данных уже позволяет экспериментально получать сведения о толщинах слоёв в слабоконтрастных системах без каких-либо предположений о структуре исследуемого образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрение особенностей применения некоторых рентгеноспектральных (ЕХАРБ-спектроскопия, угловая зависимость рентгеновской флуоресценции) и интерференционных (рентгеновская рефлектометрия) методик экспериментального исследования строения вещества к многослойным металлическим наногетероструктурам позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработаны теоретические основы метода, позволяющего получать сведения об изменениях локального атомного строения многослойной наногетероструктуры на различных глубинах от её поверхности. Выбор модели для начального приближения не требуется, для решения задачи достаточно знать химический состав плёнки.

2. Посредством модельного численного эксперимента показана возможность определения локального атомного строения на различной глубине на примере трёхслойной наногетероструктуры типа Сг/Ре/Сг. Погрешность определения парциальных межатомных расстояний составила ~ 0,01 А.

3. Методом ЕХАРБ-спектроскопии экспериментально определено локальное атомное строение слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа Ре№/\Л Погрешность определения парциальных межатомных расстояний составила ~ 0,01 А. Установлено, что в кристаллических решётках рассматриваемых образцов существуют искажения, которые носят периодический характер: в слоях пермаллоя межатомные расстояния уменьшаются, в слоях ванадия — увеличиваются

4. По экспериментальным рефлектометрическим данным определены концентрационные профили и толщины слоев в слабоконтрастных наногетероструктурах типа Сг/Ре/Сг. Для этого использовалась предложенная в работе безмодельная методика, погрешность определения толщин отдельных слоёв в плёнке составила ~ 1 А.

Таким образом, разработанные методики уникальны и не имеют аналогов не только по способу решения обратной некорректной задачи, но и по постановке экспериментальных измерений. Методики не требуют априорной модели и принципиально применимы к любым системам. Они могут быть использованы также и при исследовании концентрационного распределения элементов вблизи поверхности массивных образцов. Предложенный метод представляет собой законченный инструмент исследования, но, в случае необходимости, точность определения толщин слоёв и интерфейсов может быть повышена посредством учёта дополнительных факторов, например, диффузного рассеяния и приборного уширения. Полученная в ходе работы информация о структурных характеристиках может быть использована при изучении магнитных и магнитотранспортных свойств и для установления их связи с атомным строением металлических многослойных наногетероструктур, то есть для решения одной из фундаментальных проблем современной физики конденсированного состояния.

СПИСОК РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ

Al. High resolution in EXAFS data analysis of multilayer nanostructures / Yu.A. Babanov, Yu.A. Salamatov, I.Yu. Kamensky, A.V. Ryazhkin, V.V. Ustinov // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. - 2009. - V. 175. - P. 27.

A2. Бабанов, Ю.А. Новые возможности EXAFS-спектроскопии в исследовании локального атомного строения мультислойных наногетероструктур / Ю.А. Бабанов, Ю.А. Саламатов // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 7. - С. 932. A3. Babanov, Yu. Variable angle XAFS study of multilayer nanostructure: Determination of selective concentration profile and depth-dependent partial atomic distributions / Yu. Babanov, Yu. Salamatov, E. Mukhamedzhanov // Journal of Physics: Conference Series. - 2009. - V. 190. - P. 012030.

A4. Babanov, Yu. A. Determination of selective concentration profile and depth resolved partial atomic distributions for multilayer nanoheterostructures / Yu.A. Babanov, Yu.A. Salamatov, E.Kh. Mukhamedzhanov // Solid State Phenomena. - 2011. - V. 168-169. - P. 307.

A5. Исследование локального атомного строения слоёв и интерфейсов в металлических многослойных наногетероструктурах/ Ю.А. Саламатов, Ю.А. Бабанов, Э.Х. Мухамеджанов, В.В. Устинов // Наноструктуры. Математическая физика и моделирование. - 2011. - Т. 4. - № 1. - С. 59.

А6. Применение EXAFS-спектроскопии с угловым разрешением для исследования слоёв и интерфейсов в металлических многослойных наногетероструктурах / Ю.А. Саламатов, Ю.А. Бабанов, Э.Х. Мухамеджанов, В.В. Устинов // Известия РАН. Серия физическая. -2011. - Т. 75. - № 8. - С. 1100. А7. Бабанов, Ю.А. Высокоразрешающий метод EXAFS-диагностики локальных искажений кристаллической решётки в мультислойных металлических наноструктурах / Ю.А. Бабанов, Ю.А. Саламатов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2011. - Т. 77. - № 1.-С. 35.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Бабанов, Ю. А. Рентгеновские методы исследования атомной структуры аморфных тел. Часть 2. Метод рентгеноспектрального структурного анализа / Ю.А. Бабанов. - Ижевск: издательство Удм. унта, 1995. -127 с.

[2] Тихонов, А. Н. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В. Я. Арсенин. - 2-е изд. - Москва: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 288 с

[3] Booth, С. Н. Improved self-absorption correction for fluorescence measurements of extended x-ray absorption fine-structure / C.H. Booth, F. Bridges // Physica Scripta. - 2005. - № T115. - P. 202.

[4] Займан, Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем / Дж. Займан. — Москва: Мир, 1982. - 592 с.

[5] Zimmerman, К. М. Advanced analysis techniques for x-ray reflectivities: theory and application: диссертация на соискание степени доктора / Klaus-Martin Zimmerman. -Karlsruhe, 2005. -190 pp.

[6] Klibanov, M. V. Phaseless inverse scattering and the phase problem in optics / M.V. Klibanov, P.E. Sacks // Journal of Mathematical Physics. -1992. - V. 33. - № 11. - P. 3813.

[7] Clinton, W. L. Phase determination in x-ray and neutron reflectivity using logarithmic dispersion relations / W.L. Clinton // Physical Review B. -1993. - V. 48. - № 1. - P. 1.

[8] van der Lee, A. Experimental feasibility of phaseless inverse scattering methods for specular reflectivity / A. van der Lee // European Physical Journal B. - 2000. - V. 13. - № 4. - P. 755.

[9] Blixt, A.-M. Growth and magnetic properties of Fe- and FeNi- based thin films and multilayers: PhD Thesis / Anna-Maria Blixt. - Uppsala (Sweden), 2004. -145 pp.

[10] Growth and characterization of Fe0.82Nio.i8/V(001) superlattices / A.-M. Blixt, G. Andersson, J. Lu, B. Hjorvarsson // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2003. - V. 15. - № 4. - P. 625.

[11] Локальная структура U02(HAs04)x4H20 соединения методом EXAFS-спектроскопии: 305 К и 15 К / И.Ю. Каменский, М. Кунике, Т. Райх, X. Функе, Ю.А. Бабанов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2003. - № 11. - С. 95.

Отпечатано на ризографе ИФМ УрО РАН, тир. 85, зак. №19 объём 1 печ. л. формат 60x84 1/16 620990, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Саламатов, Юрий Александрович, Екатеринбург

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

¿о.

Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов

Уральского отделения Российской академии наук : , . \

. с

"У ^зд

На правах рукописи

04201356875

САЛАМАТОВ Юрий Александрович

РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИАГНОСТИКА СЛОЁВ И ИНТЕРФЕЙСОВ В СЛАБОКОНТРАСТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ HAH О ГЕТЕ РОСТРУ КТУ PAX

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор Бабанов Юрий Александрович

Екатеринбург-2013

Содержание

Введение....................................................................................................................................................

Глава 1 Рентгеновские методы исследования атомного строения многослойных наногетероструктур. Литературный обзор.................................................................................................................................9

1.1 Основные понятия.......................................................................................................................................9

1.2 Гигантский магниторезистивный эффект...............................................................................................11

1.3 Методы синтеза.........................................................................................................................................13

1.3.1 Магнетронное распыление...........................................................................................................13

1.3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия..................................................................................................14

1.3.3 Процесс и режимы роста...............................................................................................................16

1.4 Теория метода ЕХАРБ-спектроскопии......................................................................................................17

1.5 Постановка эксперимента по ЕХАРБ-спектроскопии..............................................................................21

1.6 Получение структурной информации из ЕХАРБ-спектров......................................................................23

1.6.1 Предварительная обработка.........................................................................................................24

1.6.2 Решение ЕХАРБ-уравнения. Однокомпонентная задача.............................................................25

1.6.3 Многокомпонентная задача. Алгоритм с парциальным обратным оператором.....................27

1.6.4 Многокомпонентная задача. Алгоритм с полным обратным оператором...............................28

1.6.5 Определение параметров координационной сферы.................................................................29

1.7 Рентгеновская рефлектометрия...............................................................................................................30

1.8 Динамическая теория рассеяния.............................................................................................................31

1.9 Заключение по литературному обзору....................................................................................................35

Глава 2 Модификации методов ЕХАРБ-спектроскопии и рентгеновской рефлектометрии для исследования концентрационного профиля и локального атомного строения плёнки с разрешением по глубине...............................................................................................................................................40

2.1 Уравнение для концентрационного профиля элемента........................................................................40

2.2 Определение локальной атомной структуры с разрешением по глубине..........................................43

2.3 Уравнение для концентрационного профиля образца в рентгеновской рефлектометрии...............43

2.3.1 Связь электронной плотности и концентрационного профиля..................................................44

2.3.2 Вывод интегрального уравнения рефлектометрии.....................................................................45

2.4 Решение уравнения рефлектометрии.....................................................................................................48

2.4.1 Функция Паттерсона.......................................................................................................................48

2.4.2 Восстановление фазы рефлектометрического сигнала..............................................................54

2.4.3 Оценка френелевской интенсивности для рефлектометрической кривой...............................56

Глава 3 Концентрационный профиль многослойных наногетероструктур и их локальное атомное

строение с разрешением по глубине по данным угловой зависимости выхода флуоресценции.........60

3.1 Моделирование многослойной гетероструктуры..................................................................................60

3.2 Восстановление концентрационного профиля.......................................................................................63

3.3 Восстановление локальной атомной структуры с разрешением по глубине......................................64

3.3.1 Моделирование локального атомного строения........................................................................65

3.3.2 Построение ЕХАРБ-спектров..........................................................................................................67

3.3.3 Построение спектров поглощения................................................................................................68

3.3.4 Построение угловых зависимостей выхода флуоресценции.....................................................71

3.3.5 Восстановление спектров поглощения.........................................................................................72

3.3.6 Получение осциллирующей части спектра..................................................................................73

3.3.7 Восстановление парциальных межатомных расстояний...........................................................74

3.4 Измерение угловой зависимости выхода флуоресценции....................................................................76

3.5 Обработка экспериментальных данных. Восстановление концентрационного профиля..................79

Глава 4 Локальное атомное строение многослойных наногетероструктур типа Ре1\Н/\/ по данным ЕХАРБ-спектроскопии..............................................................................................................................85

4.1 Приготовление образцов и съёмка ЕХАРБ-спектров..............................................................................85

4.2 Особенности ЕХАРБ-исследования мультислойных плёнок..................................................................86

4.3 Простейшая модель мультислойной плёнки..........................................................................................88

4.4 Решение обратной задачи для модельной структуры плёнки..............................................................90

4.5 Обработка экспериментальных ЕХАРБ-спектров....................................................................................96

Глава 5 Толщина слоёв в многослойных наногетероструктурах типа Сг/Ре/Сг по данным рентгеновской рефлектометрии...................................................................................................................................100

5.1 Постановка и условия эксперимента.....................................................................................................100

5.2 Тонкая плёнка Сг(150 А)//А1203...............................................................................................................101

5.2.1 Алгоритм Парратта.......................................................................................................................101

5.2.2 Метод Паттерсона........................................................................................................................102

5.2.3 Метод восстановления фазы.......................................................................................................109

5.3 Наногетероструктуры типа Сг/Ре/Сг//А1203 ...........................................................................................111

Заключение...........................................................................................................................................116

Список работ соискателя.......................................................................................................................118

Список литературы................................................................................................................................121

Приложение. Другой вид поправки к показателю преломления в рефлектометрии..........................126

Введение

Металлические многослойные наногетероструктуры представляют собой плёнки из чередующихся слоёв различных металлов, причём каждый слой имеет толщину от нескольких ангстремов до нескольких нанометров. Особый интерес к этим материалам возник после того, как было обнаружено, что они обладают уникальными электрическими и магнитными свойствами, например, эффектом гигантского магнитосопротивления [1, 2], имеющим большое практическое значение. Многослойные наногетероструктуры представляют интерес и для фундаментального аспекта науки - как объекты для изучения магнитотранспортных свойств и магнитных взаимодействий в низкоразмерных системах. С ростом числа исследований и публикаций по данным темам стали использоваться краткие названия для этого класса материалов -мультислойные плёнки или просто мультислои.

Электрические и магнитные свойства многослойных наногетероструктур (в том числе величина магнитосопротивления) сильно зависят от их атомной структуры. При этом наибольшее влияние оказывает структура интерфейса - граничной области между двумя слоями различных металлов. Характер изменения концентрационного профиля на этой границе позволяет делать выводы о межслойной диффузии и шероховатостях. Изучение особенностей локальной атомной структуры даёт возможность судить об искажениях кристаллической решётки, неизменно присутствующих в гетерогенных системах и влияющих на обменное взаимодействие.

Традиционно для изучения атомной структуры твёрдых тел применяются рентгеновские методы - дифракция, спектральный анализ и их различные вариации. Но при использовании этих методов для исследования многослойных наногетероструктур возникает ряд трудностей. Для синтеза плёнок часто используются атомные элементы с близкими электронными структурами атомов (Ре, Сг, N1, V и т.п.), которые очень сложно различить в рентгеновском эксперименте. Дифракция и ЕХАРБ-спектроскопия дают усредненную по области засветки информацию, то есть значения параметров атомной структуры. Отследить изменения в области интерфейсов, которые происходят на масштабах 1-10 А невозможно, поскольку первичный пучок проникает на всю глубину плёнки, которая составляет обычно десятки нанометров. Для обработки экспериментальных данных, как правило, используется метод подбора решения и прямой проверки. При таком способе получаемое решение зависит от выбора начальной модели и её параметров.

Итак, изучение локального атомного строения многослойных металлических наногетероструктур является весьма актуальной задачей современной физики конденсированного состояния, но необходим метод исследования, который сделал бы возможным определение структурных параметров на различных глубинах от поверхности плёнки. Это дало бы возможность построить модель атомной структуры с учётом её изменений в областях интерфейсов и прояснить влияние этих изменений на магнитные свойства плёнки. Метод должен быть применим к системам, синтезированным из элементов со сходной электронной структурой атомов, иначе изучение широкого класса многослойных наногетероструктур окажется невозможным ввиду низкой рентгеновской контрастности их компонентов. Для повышения объективности получаемых данных не следует использовать модель структуры, так как параметры этой модели могут быть определены множеством различных способов, и решение задачи будет зависеть оттого, каким набором параметров мы станем описывать структуру. Использование пробной функции также нежелательно, поскольку тогда пространство решений может быть ограничено тем классом функций, из которого выбрана пробная.

Теперь может быть сформулирована цель работы.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ предлагаемого метода диагностики локального атомного строения с разрешением по глубине, включающего в качестве составных частей: на первом этапе определение для слабоконтрастных систем элементного профиля по данным рентгеновской рефлектометрии, на втором этапе определение парциальных межатомных расстояний для перекрывающихся сфер.

2. Экспериментальное исследование локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа Ре1\Н/\/ методом ЕХАРБ-спектроскопии.

3. Определение концентрационных элементных профилей (толщин слоёв и интерфейсов) для слабоконтрастных одно- двух и трёхслойных наногетероструктур типа Сг/Ре/Сг из экспериментальных данных рентгеновской рефлектометрии.

Научная новизна.

В работе впервые:

3. Предложена безмодельная методика определения концентрационных профилей и толщин слоёв в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах.

Научная и практическая ценность работы.

1. Предлагаемый в работе метод диагностики позволяет получать с малой погрешностью (±0,01 А) сведения о локальном атомном строении на различной глубине на уровне парциальных межатомных расстояний, что необходимо для построения модели кристаллической решётки и расчёта магнитных свойств.

2. Каждая методика, входящая в предлагаемый метод диагностики (ЕХАРБ-спектроскопия слабоконтрастных систем, ЕХАРБ-спектроскопия с разрешением по глубине (~1 А), определение концентрационных профилей по данным рентгеновской рефлектометрии), имеет самостоятельное значение и может применяться независимо от других.

На защиту выносятся следующие положения:

3. Результаты исследования локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа Ре1\Л/\Л

Личный вклад автора: Совместно с Бабановым Ю. А. автор участвовал в постановке задачи исследования, разработал методы получения структурной информации из угловой зависимости EXAFS-спектров и рефлектометрических кривых, провёл их апробацию на модельных и экспериментальных данных. Соответствующее программное обеспечение для проведения расчётов создано лично автором (кроме программы для расчётов по алгоритму Парратта). Автор также принимал личное участие в планировании и проведении рентгеновских экспериментов на станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва; совместно с Мухамеджановым Э. X.). Все публикации, раскрывающие результаты работы, создавались при непосредственном участии автора. Основные результаты и выводы диссертации были сформулированы автором.

Апробация результатов работы: Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVII Международной конференции по использованию синхротронного излучения (г. Новосибирск, 2008 г.); Международных междисциплинарных симпозиумах «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008, 2010, 2012); IX, X и XI Всероссийских школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008, 2009, 2010); Всероссийской конференции «Химия твёрдого тела и функциональные материалы» (г. Екатеринбург, 2008); XIII Национальной конференции по росту кристаллов (г. Москва, 2008); XIV Международной конференции по XAFS-спектроскопии (Камерино, Италия, 2009); XLIV и XLV Зимней школе ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (г. Санкт-Петербург, 2010, 2011); XX Всероссийской научной конференции «Рентгеновские электронные спектры и химическая связь» (г. Новосибирск, 2010); IV Евро-азиатском симпозиуме «Trends in Magnetism. Nanospintronics» (EASTMAG, г. Екатеринбург, 2010); XII Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2011); Международной конференции, посвящённой памяти В. К. Иванова (г. Екатеринбург, 2011), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «The 8th International Symposium on Metallic Multilayers (MML-2013)» (Киото, Япония).

Рентгеновские измерения проводились на современном высокоточном оборудовании станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва). Полученные данные обрабатывались различными алгоритмами, результаты согласуются между собой.

Основное содержание диссертации изложено в 7 статьях, в том