A szinkrotron-Mössbauer-reflektometria alkalmazásai: mélységszelektív fázisanalízis és vékonyrétegek mágneses szerkezetének meghatározása

aBottyán László, aDeák László, a,bMajor Márton a,bNagy Dénes Lajos és aSzilágyi Edit

aMTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet, 1525 Budapest, pf. 49
bEötvös Loránd Tudományegyetem, Atomfizika Tanszék, 1088 Budapest, Puskin u. 5-7.

A szinkrotronsugárzás nukleáris rezonanciaszórása több rendkívül kedvező tulajdonsággal rendelkezik a hagyományos, vagyis radioaktív forrásokat felhasználó Mössbauer-spektroszkópiához képest. Ezek egyike a nyaláb nagyfokú kollimáltsága, amely ezt a módszert különösen alkalmassá teszi arra, hogy segítségével súroló beeséses geometriában vizsgáljunk vékonyrétegeket. Ha olyan, 1-2 meV-ra monokromatizált szinkrotronsugár-nyalábot ejtünk a súroló beesés néhány milliradiános szögénél egy rezonáns magokat tartalmazó vékonyréteg-mintára, amely az említett magok rezonancia-energiáját tartalmazza és a spekulárisan visszavert nyalábon a súroló beesés szögének különböző értékeinél az idő-doménben Mössbauer-spektrumokat veszünk fel, lényegében a Mössbauer-spektrumok, pontosabban a hiperfinom kölcsönhatás mélységprofilját határozhatjuk meg. Ez az eljárás a szinkrotron-Mössbauer-reflektometria (SMR) [1]. Az 1. ábra egy ilyen mérés elvégzésére alkalmas nukleáris rezonanciaszórási mérőcsatorna (pl. HASYLAB F4 és BW4, ESRF ID18) elvi vázlatát mutatja.

1. ábra: Szinkrotron-Mössbauer-reflektometriai mérés elrendezése.

A poszteren a módszer két fő alkalmazási területéről mutatunk be példákat. Az alkalmazások első csoportja azon a jól ismert tényen alapul, hogy az elektronikus szórás totálreflexiója kritikus szögének közelében a fotonok behatolási mélysége rendkívüli mértékben függ a súroló beesés szögétől és e szöggel nullához tartva a behatolási mélység 1-2 nm-re csökken. Mivel a Mössbauer-spektrumok ujjlenyomatként jellemzik a rezonáns magokat tartalmazó egyes fázisokat és adott esetben azok mágneses szerkezetét is, az SMR a felület közelében néhány nm felbontóképességgel végezhető fázisanalízist tesz lehetővé a rezonáns magokat tartalmazó fázisok vonatkozásában. A 2. ábra egy oxidált 57Fe-vékonyréteg példáján mutatja be, hogyan lehet egy összesen 20 nm vastagságú minta esetén a különböző mélységben található mágneses és nem-mágneses fázisokat egymástól megkülönböztetni [2].

Az alkalmazások második csoportja a nanomágnességben és a szenzorikában különösen fontos szerepet játszó mágneses multirétegek mágneses szerkezetének és ezen keresztül a mágneses csatolás jellegének meghatározása. Ennek lényege, hogy az SMR-ben a neutrondiffrakcióhoz hasonlóan megjelennek a szuperreflexiók a mágneses cella-többszöröződés esetén - erre látunk példát a 3. ábrán. Az ilyen elektronikusan tiltott reflexión felvéve az idő-differenciális SMR-spektrumot, néhány fokos pontossággal határozhatjuk meg az egyes alrácsmágnesezettségek irányát [3].

2. ábra. Úsztatott (float-) üveg hordozóra párologtatott, majd 250 C-on levegőn 4 órán át oxidált 20 nm vastagságú 57Fe vékonyrétegen két különböző szög alatt felvett SMR-időspektrum. (E = 14.4 keV.)

3. ábra. ZERODUR hordozóra növesztett [57Fe(2.6 nm)/natFeSi(1.4 nm)]10 rétegszerkezet nem-rezonáns röntgen-reflektogramja (felül) és a szórási síkra merőleges irányú, 500 G erősségű mágneses térben felvett idő-integrális SMR-görbéje (alul). Az ábra betétje a sugármenetet mutatja.

Hivatkozások:

[1] Nagy D.L., Fiz. Szemle 47, 150, (1997).

[2] D.L. Nagy, L. Bottyán, L. Deák, V.N. Gittsovich, O. Leupold, R. Rüffer, V.G. Semenov, H. Spiering, E. Szilágyi, publikálás előtt.

[3] L. Bottyán, J. Dekoster, L. Deák, A.Q.R Baron, S. Degroote, R. Moons, D.L. Nagy, G. Langouche, Hyp. Int., nyomdában.