Dispersión de ángulo pequeño de incidencia rasante - Grazing-incidence small-angle scattering

La dispersión de ángulo pequeño de incidencia rasante ( GISAS ) es una técnica de dispersión utilizada para estudiar superficies nanoestructuradas y películas delgadas. La sonda dispersa son fotones ( dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante , GISAXS ) o neutrones ( dispersión de neutrones de ángulo pequeño con incidencia rasante , GISANS ). GISAS combina las escalas de longitud accesibles de la dispersión de ángulo pequeño (SAS: SAXS o SANS ) y la sensibilidad de la superficie de la difracción de incidencia rasante (GID).

Geometría de un experimento GISAS. El haz incidente incide sobre la muestra en un ángulo pequeño cercano al ángulo crítico de la reflexión total de rayos X externos. El haz reflejado intenso así como la dispersión intensa en el plano incidente son atenuados por un tope del haz en forma de varilla. La dispersión difusa de la muestra (flecha roja) se registra con un detector de área. Como ejemplo, en el plano del detector se muestra la dispersión de una película de copolímero de bloques con laminillas perpendiculares. Los dos lóbulos de dispersión corresponden al período laminar lateral de aproximadamente 80 nm.

Aplicaciones

Una aplicación típica de GISAS es la caracterización del autoensamblaje y la autoorganización a nanoescala en películas delgadas. Los sistemas estudiados por GISAS incluyen matrices de puntos cuánticos, inestabilidades de crecimiento formadas durante el crecimiento in situ, nanoestructuras autoorganizadas en películas delgadas de copolímeros de bloque , mesofases de sílice y nanopartículas .

GISAXS fue introducido por Levine y Cohen para estudiar la deshumectación del oro depositado en una superficie de vidrio. La técnica fue desarrollada por Naudon y sus colaboradores para estudiar los aglomerados metálicos en superficies e interfaces enterradas. Con el advenimiento de la nanociencia, otras aplicaciones evolucionaron rápidamente, primero en materia dura, como la caracterización de puntos cuánticos en superficies semiconductoras y la caracterización in situ de depósitos metálicos en superficies de óxido. Esto pronto sería seguido por sistemas de materia blanda como películas de polímero ultradelgadas , mezclas de polímeros, películas de copolímeros en bloque y otras películas delgadas autoorganizadas nanoestructuradas que se han vuelto indispensables para la nanociencia y la tecnología. Los desafíos futuros de GISAS pueden residir en aplicaciones biológicas, como proteínas , péptidos o virus adheridos a superficies o en capas de lípidos.

Interpretación

Como técnica híbrida, GISAS combina conceptos de transmisión de dispersión de ángulo pequeño (SAS), de difracción de incidencia rasante (GID) y de reflectometría difusa. De SAS utiliza los factores de forma y los factores de estructura. De GID utiliza la geometría de dispersión cercana a los ángulos críticos del sustrato y la película, y el carácter bidimensional de la dispersión, dando lugar a barras difusas de intensidad de dispersión perpendiculares a la superficie. Con la reflectometría difusa (fuera de especular) comparte fenómenos como el pico Yoneda / Vinyard en el ángulo crítico de la muestra, y la teoría de la dispersión, la aproximación de Born de onda distorsionada (DWBA). Sin embargo, mientras que la reflectividad difusa permanece confinada al plano incidente (el plano dado por el haz incidente y la superficie normal), GISAS explora toda la dispersión de la superficie en todas las direcciones, normalmente utilizando un detector de área. Por lo tanto, GISAS obtiene acceso a una gama más amplia de estructuras laterales y verticales y, en particular, es sensible a la morfología y la alineación preferencial de los objetos a nanoescala en la superficie o dentro de la película delgada.

Como consecuencia particular del DWBA, la refracción de rayos X o neutrones siempre debe tenerse en cuenta en el caso de estudios de película delgada, debido al hecho de que los ángulos de dispersión son pequeños, a menudo menores de 1 grado. La corrección de refracción se aplica a la componente perpendicular del vector de dispersión con respecto al sustrato mientras que la componente paralela no se ve afectada. Por lo tanto, la dispersión paralela a menudo se puede interpretar dentro de la teoría cinemática de SAS, mientras que las correcciones de refracción se aplican a la dispersión a lo largo de cortes perpendiculares de la imagen de dispersión, por ejemplo, a lo largo de una barra de dispersión.

En la interpretación de imágenes GISAS surge alguna complicación en la dispersión de películas de bajo Z, por ejemplo, materiales orgánicos en obleas de silicio, cuando el ángulo de incidencia se encuentra entre los ángulos críticos de la película y el sustrato. En este caso, el haz reflejado del sustrato tiene una resistencia similar a la del haz incidente y, por tanto, la dispersión del haz reflejado de la estructura de la película puede dar lugar a una duplicación de las características de dispersión en la dirección perpendicular. Esto, así como la interferencia entre la dispersión del haz directo y reflejado, pueden explicarse completamente por la teoría de la dispersión DWBA.

Estas complicaciones a menudo quedan más que compensadas por el hecho de que la mejora dinámica de la intensidad de dispersión es significativa. En combinación con la sencilla geometría de dispersión, donde toda la información relevante está contenida en una sola imagen de dispersión, se facilitan los experimentos in situ y en tiempo real. Específicamente, la autoorganización durante el crecimiento de MBE y los procesos de reorganización en películas de copolímero en bloque bajo la influencia de vapor de solvente se han caracterizado en las escalas de tiempo relevantes que van desde segundos a minutos. En última instancia, la resolución de tiempo está limitada por el flujo de rayos X en las muestras necesarias para recolectar una imagen y el tiempo de lectura del detector de área.

Práctica experimental

Existen líneas de luz GISAXS dedicadas o parcialmente dedicadas en muchas fuentes de luz de sincrotrón (por ejemplo , SSRL , APS , CHESS , ESRF , HASYLAB , NSLS , Pohang Light Source) y también Advanced Light Source en LBNL.

En las instalaciones de investigación de neutrones , GISANS se utiliza cada vez más, normalmente en instrumentos de ángulo pequeño (SANS) o en reflectómetros .

GISAS no requiere ninguna preparación de muestra específica que no sean las técnicas de deposición de película fina. Los espesores de las películas pueden oscilar entre unos pocos nm y varios 100 nm, y el haz de rayos X aún penetra completamente en esas películas delgadas. La superficie de la película, el interior de la película y la interfaz entre sustrato y película son accesibles. Variando el ángulo de incidencia se pueden identificar las diversas contribuciones.

Referencias

enlaces externos