斜入射小角散乱

斜入射小角散乱( GISAS ) は、ナノ構造表面および薄膜を研究するために使用される散乱技術です。散乱プローブは、光子 (斜入射小角 X 線散乱、GISAXS ) または中性子 (斜入射小角中性子散乱、GISANS ) のいずれかです。GISAS は、小角散乱(SAS: SAXSまたはSANS )のアクセス可能な長さスケールと斜入射回折(GID) の表面感度を組み合わせたものです。

GISASの典型的な応用は、薄膜におけるナノスケールの自己組織化と自己組織化の特性評価です。GISASが研究するシステムには、量子ドットアレイ、 ^[1] in-situ成長中に形成される成長不安定性、^[2]ブロック共重合体 の薄膜における自己組織化ナノ構造、^[3] シリカ中間相、^{[4] [5]}ナノ粒子 などがあります。^{[6] [7]}

GISAXSは、ガラス表面に堆積した金の脱濡れを研究するために、LevineとCohen ^[8]によって導入されました。この技術は、表面上および埋め込まれた界面内の金属凝集体を研究するために、 Naudon ^{[9]と同僚によってさらに開発されました。 [10]}ナノサイエンスの出現により、他のアプリケーションが急速に進化し、最初は半導体表面上の量子ドットの特性評価や酸化物表面上の金属堆積物のin-situ特性評価などのハードマターで行われました。その後すぐに、超薄膜ポリマーフィルム、^[11]ポリマーブレンド、ブロックコポリマーフィルム、その他の自己組織化ナノ構造薄膜などのソフトマターシステムが続き、ナノサイエンスとテクノロジーに不可欠になりました。GISASの将来の課題は、表面または脂質層に付着した タンパク質、ペプチド、またはウイルスなどの生物学的アプリケーションにある可能性があります。

ハイブリッド技術である GISAS は、透過小角散乱 (SAS)、斜入射回折 (GID)、拡散反射測定法の概念を組み合わせています。SAS からは形状因子と構造因子を使用します。GID からは、基板とフィルムの臨界角に近い散乱形状と散乱の 2 次元特性を使用し、表面に垂直な散乱強度の拡散ロッドを生み出します。拡散 (オフスペキュラー) 反射測定法では、サンプルの臨界角での Yoneda/Vinyard ピークなどの現象や、散乱理論である歪んだ波ボルン近似(DWBA) を共有しています。^{[12] [13] [14]}ただし、拡散反射率は入射面 (入射ビームと表面法線によって決まる面) に限定されますが、GISAS では、通常エリア検出器を使用して、表面からの全方向の散乱全体を調査します。したがって、GISAS はより広範囲の横方向および垂直方向の構造にアクセスできるようになり、特に、薄膜の表面または内部のナノスケールの物体の 形態と優先的な配列に敏感になります。

DWBAの特別な結果として、薄膜研究の場合、散乱角が小さく、多くの場合1度未満であるため、X線または中性子の屈折を常に考慮する必要があります^{[15] [16]}。屈折補正は、基板に対する散乱ベクトルの垂直成分に適用されますが、平行成分は影響を受けません。したがって、平行散乱はSASの運動学理論の範囲内で解釈できることが多く、屈折補正は散乱画像の垂直カットに沿った散乱、たとえば散乱ロッドに沿った散乱に適用されます。

GISAS 画像の解釈では、入射角がフィルムと基板の臨界角の間にある場合、シリコン ウェーハ上の有機材料などの低 Z フィルムからの散乱に多少の複雑さが生じます。この場合、基板からの反射ビームは入射ビームと同様の強度を持ち、したがってフィルム構造からの反射ビームからの散乱により、垂直方向の散乱特性が 2 倍になる可能性があります。これは、直接ビームと反射ビームからの散乱間の干渉と同様に、DWBA 散乱理論によって完全に説明できます。^[16]

これらの複雑さは、散乱強度の動的増強が顕著であるという事実によって相殺される以上のものであることが多い。すべての関連情報が単一の散乱画像に含まれる単純な散乱ジオメトリと組み合わせることで、in-situ およびリアルタイムの実験が容易になる。特に、MBE 成長中の自己組織化^[2]および溶媒蒸気の影響下にあるブロック共重合体フィルムの再組織化プロセス^[3]は、数秒から数分の範囲の関連時間スケールで特徴付けられている。最終的に、時間分解能は、画像を収集するために必要なサンプル上の X 線フラックスと、エリア検出器の読み出し時間によって制限される。

専用または部分的に専用のGISAXSビームラインは、ほとんどのシンクロトロン光源（例えば、Advanced Light Source（ALS）、Australian Synchrotron、APS、ELETTRA（イタリア）、Diamond（英国）、ESRF 、National Synchrotron Light Source II（NSLS-II）、Pohang Light Source（韓国）、SOLEIL（フランス）、Shanghai Synchrotron（中国）、 SSRL）に存在します。

中性子研究施設では、GISANS が、主に小角 (SANS) 計測器や反射計でますます使用されるようになっています。

GISAS では、薄膜堆積技術以外の特別なサンプル準備は必要ありません。フィルムの厚さは数 nm から数百 nm の範囲ですが、このような薄いフィルムでも X 線ビームは完全に透過します。フィルムの表面、フィルムの内部、基板とフィルムの界面はすべてアクセスできます。入射角を変えることで、さまざまな寄与を特定できます。

• Detlef Smilgies による GISAXS および GIWAXS チュートリアル - リンクが更新されました。
• Kevin Yager による GISAXS wiki
• Rémi Lazzari による isGISAXS モデリング/フィッティング ソフトウェア
• David Babonneau による FitGISAXS モデリング/フィッティング ソフトウェア
• MLZ Garching の Scientific Computing Group による BornAgain モデリングおよびフィッティング ソフトウェア
• LBNLによる HiPGISAXS 超並列 GISAXS シミュレーション コード