浅谈中子反射仪-TWNSS.PDFVIP

物理專文 淺談中子反射儀 文/蘇暉家、李志浩 中子反射儀對於生物以及磁性薄膜樣品方面的量測有非常大的幫 助。透過對於樣品反射率的量測與分析，可以了解到薄膜樣品的縱深分 布，如：成分、厚度及界面粗糙度等訊息。本文將介紹中子反射儀如何 被應用在軟物質以及磁性樣品上，簡單的理論及分析方法，並說明現在 台灣在中子反射儀應用上的情形，以及與世界的學術橋樑如何在此一方 面接軌。 一、前言 子力顯微鏡與掃描式穿隧顯微鏡其縱向的解析度可達 中子反射儀在於研究軟物質及磁性薄膜上是非常 0.05 nm ，似乎是量測表面結構之最佳選擇，可是若欲 有用的 [1] 。中子反射儀主要是用來量測樣品的反射 測量深層界面之變化，就變得束手無策了；X 光反射 率，透過反射率可以得知樣品膜的密度、厚度以及樣 率量測法在表面薄膜分析上是一種很有力的工具，可 品的表面和界面的粗糙度。對薄膜的各項特性研究， 以藉由反射率曲線來瞭解薄膜的層數、厚度、粗糙度、 也被學術界及工業界所重視。由於中子具有自旋對於 垂直於表面及界面的密度變化以及內擴散的現象，較 磁性材料之測量相當有利。近幾十年來，磁性薄膜的 為適用的範圍在厚度為 2 nm 到 200 nm 之間的薄膜， 大量應用，對磁性薄膜中磁矩縱深分佈，也是一個熱 其粗糙度可達 Å 級解析度的範疇。其優點有非破壞性 門的主題。除了磁性薄膜以外，對於凝態物理、生物 檢測，樣品準備容易，分析方法簡單，不需真空及適 樣品的研究，日來更是如火如荼在展開。在研究這些 合臨場實驗，所得到的參數是整體的平均貢獻等。其 主題上，有各式各樣的分析工具及技術，如：掃描式 缺點就是 X 光本身並未帶有磁矩，在磁性薄膜上必須 電子顯微鏡，高解析度低能電子繞射，高能電子繞射， 以異常磁散射法，來獲取磁結構，但是 X 光磁散射除 掃描式穿隧顯微鏡，原子力顯微鏡，X 光反射率…等 了特殊共振之情形下，其信號相當弱，在強大的電子 等。以上的分析技術各有其優缺點。簡單舉例 [2] ： 散射環伺下，實驗的技術及信號之處理必須十分小 以電子顯微鏡而言，雖然可以得到實際的影像，但樣 心。為了分離中子磁散射及核散射之貢獻，利用中子 品製作複雜，且只能看局部區域；電子繞射法在表面 反射對於垂直於膜面的磁矩的特性，若將強磁場加在 原子排列以及樣品成分分析上較佳，可是電子的多重 垂直膜面的方向，則可以量測不到磁性薄膜磁散射的 散射，會造成在數據的分析上會有較大的困難；而原 部分，而將核散射部分準確定出，此一部分所得到的 結果，會與 X 光反射率所量測到的結果如出一轍。另 蘇暉家 1,2 、李志浩1,2 外，X 光對於元素的散射截面大小會與元素的原子序 1 國立清華大學工程與系統科學系 大小成正比關係，對於鄰近元素不容易分辨。而中子 2 國立清華大學原子科學技術與發展中心 對於不同元素及同位素的散射截面成不規則變化，所 蘇暉家: train2827@ 以對於不同的元素及同位素的鑑別力相當強。又因為 李志浩: chlee@.tw 中子對於輕元素，尤其是 H 原子散射截面相當大，所 ■ 60 ■ 物理