Difuzní rozptyl

Václav Holý, Ústav fyziky kondenzovaných látek, Přírodovědecká fakulta MU Brno

S rozvojem technologie a aplikací intenzivních zdrojů rtg záření se do popředí dostává studium slabého rtg rozptylu daleko od difrakčních maxim, který informuje o reálné struktuře krystalové mřížky. Pojmem „koherentní rozptyl“ rtg záření rozumíme v této přednášce takový proces rozptylu, který je popsán střední hodnotou rozptýlené amplitudy, kde středování probíhá přes statistický ansámbl reálných struktur krystalové mřížky. Tento druh rozptylu závisí na střední hodnotě elektronové hustoty , informuje tedy o „bodových“ vlastnostech krystalové mřížky. Ve velkých vzdálenostech od difrakčních maxim je tento koherentní rozptyl schopen detektovat velmi jemné deformace na povrchu krystalu nebo na rozhraních ve vrstevnatém systému (tzv. „Crystal truncation rod scatterig“ – CTR). Difuzní rozptyl lze popsat autokorelační funkcí vlnového pole , tzv. funkcí vzájemné koherence vlnění. Tato funkce závisí na autokorelační funkci elektronové hustoty , difuzní rozptyl může tedy postihnout „korelační“ vlastnosti krystalové mřížky.

V přednášce budou uvedeny příklady měření difuzního rozptylu na monokrystalických epitaxních vrstevnatých systémech ve dvou základních druzích experimentálního uspořádání, a to při maloúhlém rozptylu (rtg reflexe) a při rtg difrakci. V prvním případě, je intenzita difuzně rozptýlené vlny závislá na autokorelační funkci nulté Fourierovy komponenty elektronové hustoty , difuzní rozptyl tedy podává informaci o nehomogenitách krystalové mřížky, jejichž charakteristická délka je mnohem větší než mřížkový parametr. V případě rozptylu na vrstevnatých systémech lze tímto způsobem studovat drsnosti rozhraní popřípadě morfologii nanostruktur na rozhraních multivrstev. Difuzní rozptyl doprovázející rtg difrakci souvisí s autokorelační funkcí h-té Fourierovy komponenty elektronové hustoty, může tedy studovat velmi slabá deformační pole v okolí krystalových defektů. V naší laboratoři používáme tuto metodu pro vyšetřování mikrodefektů v krystalové mřížce křemíkových desek po tepelném zpracování (viz příspěvek P. Klanga na tomto kolokviu) a pro studium nanostruktur (kvantových drátů a teček) v epitaxních polovodičových strukturách. V tomto případě lze kombinací difuzního rozptylu při rtg reflexi s difuzním rozptylem při difrakci určit jak tvar takových objektů, tak i korelační vlastnosti jejich poloh a z deformačního pole v jejich okolí i jejich chemické složení.

Při rtg rozptylu na nanostrukturách je hlavním problémem jejich velmi malý objem a tedy i extrémně slabý užitečný signál ve srovnání se signálem od substrátu resp. okolní krystalové mřížky. V případě nanostruktur v tenkých vrstvách a multivrstvách lze signál od substrátu potlačit velmi malým úhlem dopadu (nebo úhlem výstupu) rtg svazku měřeným od rozhraní. V případě rtg difrakce lze toho dosáhnout v uspořádání „grazing-incidence diffraction“ – GID, v němž lze ladit hloubku vniku rtg záření a tak získat selektivně informaci z různých hloubek ve vzorku.

Další zesílení užitečného signálu lze dosáhnout vhodnou volbou vlnové délky, například tak, aby byl kontrast v polarizovatelnosti krystalové mřížky nanoobjektu a okolí maximální, nebo aby byl naopak co nejmenší. V tomto druhém případě je difrakční kontrast způsoben pouze elastickým deformačním polem v okolí objektu. Tento tzv. anomální rozptyl vyžaduje použití synchrotronového záření s laditelnou vlnovou délkou a obvykle i vakuový goniometr a speciální detektor. V přednášce budou ukázány první předběžné výsledky měření difuzního rozptylu při anomální difrakci.