掠入射小角散射

掠入射小角散射Grazing-incidence small-angle scatteringGISAS)是一种用于研究纳米结构表面与薄膜的衍射技术。其散射探针为光子(掠入射小角X射线散射grazing-incidence small-angle X-ray scatteringGISAXS)或中子(掠入射小角中子散射grazing-incidence small-angle neutron scatteringGISANS)。GISAS结合了(SAS,包括或)的可测长度尺度与(GID)的表面敏感性。

应用
GISAS的典型应用是表征薄膜中纳米尺度的自组装与自组织。GISAS研究的体系包括量子点阵列、原位生长过程中形成的生长不稳定性、嵌段共聚物薄膜中的自组织纳米结构、二氧化硅介观相、以及纳米颗粒。

Levine与Cohen引入GISAXS技术,用于研究玻璃表面沉积金的去润湿现象。Naudon及其合作者进一步发展了该技术,以研究表面及埋底界面中的金属团聚物。随着纳米科学的兴起,其他应用迅速发展。该技术最初应用于硬物质领域,例如半导体表面量子点的表征以及氧化物表面金属沉积物的原位表征。随后,其应用很快扩展到软物质体系,例如超薄聚合物薄膜、聚合物共混物、嵌段共聚物薄膜以及其他自组织纳米结构薄膜,这些体系现已成为纳米科学与技术中不可或缺的部分。GISAS未来的挑战可能在于生物学应用,例如附着在表面或脂质层中的蛋白质、肽或病毒。

数据解析
GISAS比大多数其他散射技术更复杂,因为当光束以微小的掠入射角照射到分层样品上时,具有不同散射长度密度的材料层之间的界面会使其发生部分折射与部分反射。因此,入射波场无法近似为平面波,而是代表透射束与反射束的两列平面波的线性叠加。基于互易性原理,走向特定探测器像素的散射波同样符合这一规律。

与镜面反射测量类似,折射与反射可根据菲涅耳方程计算。不均匀性引起的散射则由与传统小角散射(SAS)相同的结构因子和外形因子决定。标准的散射理论(一阶玻恩近似)必须经过扩展,以包含两列入射平面波和两列出射平面波。这就是包含四个散射项的扭曲波玻恩近似(DWBA)的核心所在。

然而,漫反射率仅局限于入射面(由入射光束和表面法线确定的平面),而GISAS通常利用面探测器探测全方位来自表面的整个散射空间。因此,GISAS能够获取更广泛的横向与纵向结构信息,特别对薄膜表面或内部纳米尺度物体的形貌及取向极为敏感。

在解析GISAS图像时,若入射角介于薄膜和基底的临界角之间,低Z薄膜(例如硅片上的有机材料)的散射会带来一些复杂性。在这种情况下,来自基底的反射光束强度与入射光束相当,因此薄膜结构对反射光束的散射会导致垂直方向上的散射特征加倍。这种情况以及直接光束散射与反射光束散射之间的干涉,均可通过DWBA散射理论进行完全的处理与计算。

散射强度的显著动力学增强往往足以弥补这些复杂性。结合其直观的散射几何结构(所有相关信息均包含在单张散射图像中),这为原位及实时实验提供了便利。具体而言,分子束外延(MBE)生长过程中的自组织现象以及嵌段共聚物薄膜在溶剂蒸气影响下的重组过程已在数秒至数分钟的相关时间尺度上得到了表征。时间分辨率最终取决于采集图像所需的样品X射线通量以及面探测器的读取时间。

实验实践
大多数同步辐射光源都设有专用或部分专用的GISAXS线站(例如先进光源(ALS)、澳大利亚同步辐射器、APS、ELETTRA(意大利)、Diamond(英国)、ESRF、国家同步辐射光源二期(NSLS-II)、浦项光源(韩国)、SOLEIL(法国)、上海同步辐射光源(中国)、)。

在中,GISANS 的应用日益广泛,通常用于小角 (SANS) 仪器或。

除了薄膜沉积技术外,GISAS不需要任何特殊的样品制备。薄膜厚度范围可从几纳米至几百纳米,且X射线束仍能完全穿透此类薄膜。薄膜表面、薄膜内部以及基底-薄膜界面均可进行探测。通过改变入射角,可以区分并识别这些不同的贡献。

注释
参考

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