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研究探索了薄膜的纳米结构

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-08  浏览次数:8
核心提示:世界上最新、最亮的同步加速器光源——美国布鲁克黑文国家实验室的国家同步加速器光源II (nsl -II)——在实验室科学调试阶段所做

世界上最新、最亮的同步加速器光源——美国布鲁克黑文国家实验室的国家同步加速器光源II (nsl -II)——在实验室科学调试阶段所做的工作中发表了第一篇论文。

 

7月7日发表在《国际联盟的晶体学杂志在线版上(最近推出了《结晶学的国际联盟),探讨了一种新的方式来应用一个广泛使用的局部结构分析工具原子对分布函数(PDF)从薄膜分析x射线散射数据,快速产生高质量电影的原子结构的信息。这项工作为纳米晶薄膜的研究开辟了新的途径。


这项研究表明,nsl - ii——美国能源部科学办公室中拥有超亮、超浓缩x射线束的用户设备——已经被证明是薄膜研究的游戏规则改变者,薄膜在包括计算机芯片和太阳能电池在内的大量技术中扮演着重要角色。

在应用和实验过程中,薄膜(定义为厚度从几纳米到1000纳米以上,或十亿分之一米)被沉积在一个被称为基片的厚基片上,基片通常由硅、二氧化硅或氧化铝的晶体晶圆片构成。由于薄膜材料的量小,基体的量大,在这种几何结构下研究材料的结构是极其困难的。为了尽量减小x射线在衬底上的散射,这往往会模糊来自样品的微小体积的数据,薄膜x射线研究是利用掠入射(GI) x射线实验进行的。


在GI研究中,x射线束擦过薄膜表面,使其反射到基底上,使光束尽可能多地照亮薄膜,同时尽量减少穿透薄膜进入基底。然而,小的入射角度使得GI的研究难以开展,并且引入了严重的数据分析复杂性。


“对于晶体材料来说,掠食入射衍射实验很棘手,而且从来没有成功地从薄膜中获得pdf,”论文的作者之一西蒙·比林奇(Simon Billinge)说,他是一名物理学家,在布鲁克海文大学(Brookhaven)和哥伦比亚大学(Columbia University)工程与应用科学学院(School of Engineering and Applied Science)担任联合职位。“实验太过辛苦,数据分析也极具挑战性。”


PDF通过提供样本中所有原子对之间的距离,提供了局部原子结构信息,即原子邻域的数据。这些距离在数据中以峰值的形式出现。近年来,PDF已成为复杂材料结构研究的标准技术,可用于块状或纳米级、无定形或晶体状的样品。


Billinge和他的同事设计的方法利用了nsl - ii的高通量光子,这些光子加上他的团队最近开发的新的数据缩减方法,创造了适合从薄膜中进行PDF分析的数据。从本质上说,它把标准的GI实验颠倒过来:光束只是简单地从胶片的背面发送到正面。
的首席科学家Eric Dooryhee NSLS-II x射线粉末衍射(XPD)beamline,工作完成后,解释道,“第一批NSLS-II beamlines现在成功过渡从技术调试,开始在2014年秋天,当我们第一次生产的x射线,对待科学调试,我们的基准和测试beamline功能在实际样品。在这种标准入射几何中,从基片的大信号中提取薄膜的微小信号在技术上是极其困难的。尽管如此,我告诉Simon XPD应该能够应对挑战。

研究小组用晶体薄膜和非晶薄膜测试了薄膜PDF(他们称之为tfPDF),每个薄膜厚度约为360纳米。这次合作包括了丹麦奥尔胡斯大学的Bo Iversen和制作这些薄膜的俄勒冈大学的Dave Johnson。


研究的第一个样品是安装在垂直于x射线束的非晶态硼硅酸盐基底上的非晶态铁锑膜。为了从薄膜中分离出贡献,基片贡献首先通过测量干净基片的散射模式来确定。来自薄膜的信号在原始数据中几乎不可见,在大的基片贡献之上,但可能是c


 
 
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