中性子反射率測定

中性子反射法は、薄膜の構造を測定する中性子回折法であり、しばしば補完的なX線反射率測定法やエリプソメトリー法に似ています。この技術は、化学凝集、ポリマーおよび界面活性剤の吸着、薄膜磁気システムの構造、生体膜など、さまざまな科学技術アプリケーションにわたって貴重な情報を提供します。この技術は、さまざまなフィッティングソフトウェアと標準化されたデータ形式が利用可能であり、原子炉および核破砕源で広く使用されている技術となっています。^[1]

中性子反射率測定法は、反強磁性結合多層膜における巨大磁気抵抗効果の発見を受けて、1980年代に新たな分野として登場した。 ^[2]

この技術では、非常に平らな表面に高度に平行化された中性子ビームを照射し、反射された放射線の強度を角度または中性子波長の関数として測定します。反射率プロファイルの正確な形状から、基板上に積層された薄膜の厚さ、密度、粗さなど、表面構造に関する詳細な情報が得られます。

中性子反射測定は、ほとんどの場合、入射ビームの角度が反射ビームの角度と等しい鏡面反射モードで行われます。反射は通常、運動量 移動 ベクトル（ と表記）で表され、これは材料から反射した後の中性子の運動量の変化を表します。通常、方向は表面に対して垂直な方向と定義され、鏡面反射の場合、散乱ベクトルには- 成分のみがあります。一般的な中性子反射測定プロットは、反射強度（入射ビームに対する相対強度）を散乱ベクトルの関数として表示します。 ${\displaystyle q_{z}}$${\displaystyle z}$${\displaystyle z}$

${\displaystyle q_{z}={\frac {4\pi }{\lambda }}\sin(\theta )}$

ここで、は中性子の波長、 は入射角です。Abeles行列形式または Parratt 再帰法を使用して、界面から生じる鏡面反射信号を計算できます。 ${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle \theta }$

オフスペキュラー反射測定は拡散散乱を引き起こし、層内の運動量移動を伴い、磁区や面内相関粗さから生じるものなど、層内の横方向の相関を決定するために使用されます。

反射率測定に使用される中性子の波長は、通常 0.2～1 nm (2～10 Å )程度です。この技術には中性子源が必要で、研究用原子炉または粒子加速器に基づく核破砕源のいずれかになります。すべての中性子散乱技術と同様に、中性子反射率測定は、異なる原子核から生じるコントラストに敏感です (X 線散乱で測定される電子密度と比較して)。これにより、この技術では元素のさまざまな同位体を区別できます。中性子反射率測定は中性子散乱長密度 (SLD) を測定し、原子組成がわかっている場合は 物質の密度を正確に計算するために使用できます。

SLDや薄膜の厚さなどの一部の量は、全反射エッジと干渉縞の角度/ q幅から推定できますが、一般的には、中性子反射率曲線から粗さや複数の厚さを含む完全な情報を抽出するにはフィッティングソフトウェアが必要です。フィッティングソフトウェアの概要については、次のサイトを参照してください。^[3]

他の反射率技術（特に光反射率、X線反射率測定法）も同じ一般原理で動作しますが、中性子測定にはいくつかの重要な利点があります。最も顕著な利点は、この技術は電子密度ではなく原子核のコントラストを調べるため、一部の元素、特に軽い元素（水素、炭素、窒素、酸素など）の測定感度が高いことです。同位体に対する感度により、同位体置換を使用して一部の対象システムのコントラストを大幅に（選択的に）高めることもできます。また、同位体置換のみが異なる複数の実験を使用して、散乱技術に共通する位相の問題を解決することができます。最後に、中性子は透過性が高く、通常は非摂動性であるため、サンプル環境の柔軟性が高く、繊細なサンプル材料（生物学的標本など）を使用できます。対照的に、X線曝露は一部の材料を損傷する可能性があり、レーザー光は一部の材料（フォトレジストなど）を変更する可能性があります。また、光学的手法には光学異方性(複屈折)による曖昧さが含まれる場合がありますが、これは補完的な中性子測定によって解決できます。二重偏光干渉法は、中性子反射法と同等の解像度で類似の結果を提供する光学的手法の 1 つですが、基礎となる数学モデルはいくぶん単純で、均一な層密度の厚さ (または複屈折)しか導き出せません。

中性子反射率測定法の欠点としては、必要なインフラストラクチャのコストが高いこと、一部の物質がビームにさらされると放射性になる可能性があること、構成原子の化学状態に対する感度が低いことが挙げられます。さらに、この技術のフラックスは比較的低く、バックグラウンドは高いため (X 線反射率と比較した場合)、調査できる最大値(したがって測定解像度) が制限されます。 ${\displaystyle q_{z}}$

• 中性子反射計のカタログは www.reflectometry.net をご覧ください。
• データ分析ソフトウェアのカタログは www.reflectometry.net をご覧ください。