Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Магнитное рентгеновское рассеяние

Использование рентгеновских лучей для исследования магнитных свойств вещества началось сравнительно недавно. Первые данные по магнитной дифракции были опубликованы в 1972 г., а первые эксперименты по магнитному круговому дихроизму появились в конце 80-х годов прошлого века. Развитие этого направления обусловлено применением

СИ как источника фотонов с высокой яркостью и превосходными поляризационными характеристиками.

Первый эксперимент по измерению магнитных вкладов в дифракционные пики проводился со стандартными рентгеновскими трубками и являлся очень трудным экспериментом. Дело в том, что магнитное сечение рассеяния меньше зарядового на множитель [Ьсо/(/яс2)]2 - 4* 1(Х4 для рентгеновских лучей с энергией 10 кэВ. Учет других вкладов, уменьшающих магнитное сечение (число неспаренных электронов, средний спин и т.д.), приводит к тому, что зарядовое рассеяние в 107 раз сильнее магнитного (для N?0). Таким образом, магнитное рентгеновское рассеяние существует, его можно измерить, но оно мало по сравнению с зарядовым.

Два фактора способствовали тому, что это слабое рассеяние превращается на наших глазах в мощный и информативный инструмент исследования магнитных структур. Во- первых, развитие источников СИ в 1970-х и 1980-х гг. Благодаря высокой интенсивности СИ, малость магнитного рассеяния частично может быть скомпенсирована. Дополнительным плюсом СИ служит высокая степень поляризации. В наши дни достижима линейная поляризация 99% в плоскости синхротрона. Вращение плоскости поляризации падающих фотонов на я/2 часто используется для выделения магнитного рассеяния.

Во-вторых, это открытие резонансного рентгеновского рассеяния: вблизи определенных значений энергии внутриатомного поглощения рентгеновское сечение рассеяния очень чувствительно к величине энергии, что приводит к значительному усилению магнитного сигнала (~100 для лантаноидов и 106 для актиноидов). Рентгеновское резонансное магнитное рассеяние {XIШ5) обусловлено электрическими мультипольными эффектами (дипольным и квадрупольным) и, благодаря принципу Паули, чувствительно к электронным спинам. Резонансные эффекты обнаружены также в рентгеновском поглощении: магнитный круговой дихроизм и спин- зависящее поглощение СИ с круговой поляризацией могут быть использованы для исследования магнетизма [12, 26].

В течение последних десяти лет рентгеновская магнитооптика бурно развивается. Разработаны разнообразные методы от нерезонансной магнитной дифракции (позволяющей разделить орбитальную и спиновую часть магнитного формфактора) до резонансною рассеяния (дающего элементночувствительную информацию, в том числе от поверхностных и ультратонких слоев) и магнитного кругового дихроизма (МКД), позволяющего строить пространственно-временные изображения магнитных неоднородностей [30, 31, 32]. Проводятся эксперименты как по рассеянию, так и по поглощению, с линейной и круговой поляризацией. Исследование магнитной структуры методами рассеяния линейно- поляризованного СИ обеспечивает высокое разрешение в к- пространстве и применяется для антиферромагнетиков, сверхрешеток и тонких ферромагнитных слоев. Для поляризованных по кругу фотонов существует интерференция зарядового и магнитного упругого рассеяния. Рассеяние СИ с линейной и круговой поляризацией может быть использовано для разделения спиновых и орбитальных вкладов в магнитный момент. Исследование МКД в спектрах ХАМЕ Б и ЕХАЕБ превратилось в мощный метод изучения элементно- и сим- метрийно-чувствительных характеристик локальной электронной структуры в магнитных материалах [26].

Традиционная для физики твердого тела точка зрения заключается в том, что рассеяние рентгеновских лучей дает информацию о плотности заряда. Действительно, зарядовая плотность даст основной вклад в сечение рассеяния. Между тем, следующие, меньшие по величине слагаемые содержат информацию о магнитном моменте [33].

Возможны три канала магнитного рассеяния синхро- тронного излучения [26]:

  • 1. магнитное рентгеновское упругое нерезонансное рассеяние (орбитальный и спиновый моменты дают разный вклад);
  • 2. магнитное резонансное упругое рассеяние;
  • 3. магнитное резонансное неупругое рассеяние.

Таким образом, для исследования магнетизма может применяться и рассеяние нейтронов, и рассеяние синхротрон- ного излучения. Сравним возможности рассеяния нейтронов и рентгеновского излучения:

Нейтроны

Рентгеновское излучение

Длина волны де Бройля А.~ 0.03-2 нм порядка межатомных расстояний, так что дифракция дает прямую информацию об атомной и спиновой структуре.

Энергия 1 (Г6 - 1 эВ порядка энергий элементарных возбуждений (фононы, магно- ны). Неупругое рассеяние дает информацию о возбуждениях и об атомной спиновой динамике.

Незаряжены, глубоко проникают в объем материала.

Длина волны для синхро- тронного источника меняется в широком интервале, дифракция дает прямую информацию об атомной и спиновой структуре.

Энергия 1 - 103 эВ слишком велика для изучения низкочастотной динамики (магно- нов, фононов).

Сильно взаимодействует с электронами. Более поверхностно-чувствительный метод, чем рассеяние нейтронов. Мягкое излучение с энергией

Могут применяться для исследования поверхности тонких пленок или многослойных структур при малоугловом рассеянии. Длина рассеяния зависит от ядра, а не прямо от атомного номера. Есть изотоп-эффект. Также длина рассеяния не зависит от вектора рассеяния Н.

Имеют магнитный момент (р = 5.4-10“^) и непосредственно взаимодействуют с атомными ядерными спинами, давая информацию о магнитной структуре и динамике.

Требуются большие образцы (сечением ~ 1 см2).

< 4 кэВ проникает на глубины 10 - 103 нм.

Зарядовое рассеяние определяется атомным формфактором, монотонно зависящим от атомного номера 2 и стремящимся к 2 при Н —* 0. Нет изотоп-эффекта. Высокое разрешение в ?-пространстве.

Не имеет магнитного момента, но амплитуда рассеяния зависит от плотности спинового и орбитального моментов в материале. Возможно разделение спинового и орбитального вкладов. Элементно-чувствительный метод вблизи края поглощения. Ввиду большой яркости СИ и резонансного усиления сигнала возможно исследование маленьких образцов (для актинидов ~ 1 мм2).

Табл. 9.1. Сравнение методов рассеяния тепловых нейтронов и рентгеновского излучения.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>