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Dispersión de ángulo pequeño con incidencia pastoril

La dispersión de ángulo pequeño con 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 superficial de la difracción de incidencia rasante (GID).

Geometría de un experimento GISAS. El haz incidente incide sobre la muestra bajo un ángulo pequeño cercano al ángulo crítico de reflexión externa total de los rayos X. El intenso haz reflejado, así como la intensa dispersión en el plano incidente, se atenúan mediante 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 en bloque con láminas 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, [1] inestabilidades de crecimiento formadas durante el crecimiento in situ, [2] nanoestructuras autoorganizadas en películas delgadas de copolímeros en bloque , [3] mesofases de sílice, [4] [5] y nanopartículas . [6] [7]

Levine y Cohen [8] introdujeron GISAXS para estudiar la deshumectación del oro depositado sobre una superficie de vidrio. Naudon [9] y colaboradores desarrollaron aún más la técnica para estudiar aglomerados metálicos en superficies e interfaces enterradas. [10] 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. A esto pronto le siguieron sistemas de materia blanda , como películas de polímeros ultrafinas , [11] mezclas de polímeros, películas de copolímeros en bloque y otras películas delgadas nanoestructuradas autoorganizadas 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 lipídicas.

Interpretación

Como técnica híbrida, GISAS combina conceptos de dispersión de ángulo pequeño por transmisión (SAS), de difracción de incidencia rasante (GID) y de reflectometría difusa. De SAS utiliza los factores de forma y factores de estructura. Desde GID se 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 varillas 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). [12] [13] [14] 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 desde la superficie en todas las direcciones, normalmente utilizando un área detector. De este modo, 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 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 películas delgadas, [15] [16] debido al hecho de que los ángulos de dispersión son pequeños, a menudo menores que 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 puede interpretarse dentro de la teoría cinemática de SAS, mientras que las correcciones refractivas se aplican a la dispersión a lo largo de cortes perpendiculares de la imagen de dispersión, por ejemplo a lo largo de una varilla de dispersión.

En la interpretación de imágenes GISAS surge alguna complicación en la dispersión de películas de baja Z, por ejemplo, materiales orgánicos sobre obleas de silicio, cuando el ángulo de incidencia está entre los ángulos críticos de la película y el sustrato. En este caso, el haz reflejado desde el sustrato tiene una intensidad similar a la del haz incidente y, por tanto, la dispersión del haz reflejado desde 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, puede explicarse plenamente mediante la teoría de dispersión DWBA. [dieciséis]

Estas complicaciones a menudo quedan más que compensadas por el hecho de que la mejora dinámica de la intensidad de la dispersión es significativa. En combinación con la sencilla geometría de dispersión, donde toda la información relevante está contenida en una única imagen de dispersión, se facilitan los experimentos in situ y en tiempo real. Específicamente, la autoorganización durante el crecimiento de MBE [2] y los procesos de reorganización en películas de copolímeros en bloque bajo la influencia de vapor de solvente [3] se han caracterizado en escalas de tiempo relevantes que van desde segundos hasta minutos. En última instancia, la resolución temporal está limitada por el flujo de rayos X en las muestras necesarias para recopilar una imagen y el tiempo de lectura del detector de área.

practica experimental

Existen líneas de luz GISAXS dedicadas o parcialmente dedicadas en la mayoría de las fuentes de luz de sincrotrón (por ejemplo, Advanced Light Source (ALS), Australian Synchrotron, APS , ELETTRA (Italia), Diamond (Reino Unido), ESRF , National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), Fuente de luz de Pohang (Corea del Sur), SOLEIL (Francia), Sincrotrón de Shanghai (RP China), SSRL

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 aparte de las técnicas de deposición de películas finas. Los espesores de las películas pueden oscilar entre unos pocos nm y varios 100 nm, y el haz de rayos X todavía penetra completamente estas películas delgadas. Se puede acceder a la superficie de la película, al interior de la película y a la interfaz sustrato-película. Variando el ángulo de incidencia se pueden identificar las diversas contribuciones.

Referencias

  1. ^ Metzger, TH; Kegel, I.; Paniago, R.; Lorke, A.; Peisl, J.; et al. (1998). "Forma, tamaño, tensión y correlaciones en sistemas de puntos cuánticos estudiados mediante métodos de dispersión de rayos X de incidencia rasante". Películas sólidas delgadas . 336 (1–2). Elsevier BV: 1–8. Código Bib : 1998TSF...336....1M. doi :10.1016/s0040-6090(98)01290-5. ISSN  0040-6090.
  2. ^ ab Renaud, G.; Lazzari, Rémi; Renacido, Christine; Barbier, Antoine; Noblet, Marion; et al. (30 de mayo de 2003). "Monitoreo en tiempo real de nanopartículas en crecimiento". Ciencia . 300 (5624). Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS): 1416–1419. Código Bib : 2003 Ciencia... 300.1416R. doi : 10.1126/ciencia.1082146. ISSN  0036-8075. PMID  12775836. S2CID  7244337.
  3. ^ ab Smilgies, Detlef-M.; Busch, Peter; Papadakis, Christine M.; Posselt, Dorthe (2002). "Caracterización de películas delgadas de polímeros con dispersión de rayos X de ángulo pequeño bajo incidencia rasante (GISAXS)". Noticias sobre radiación sincrotrón . 15 (5). Informa Reino Unido limitado: 35–42. doi :10.1080/08940880208602975. ISSN  0894-0886. S2CID  122797468.
  4. ^ Gibaud, A.; Grosso, D.; Inteligentemente, B.; Bautista, A.; Bardeau, JF; Babonneau, F.; Doshi, DA; Chen, Z.; Brinker, C. Jeffrey; Sánchez, C. (2003). "Autoensamblaje controlado por evaporación de mesofases de tensioactivos de sílice". La Revista de Química Física B. 107 (25). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 6114–6118. doi :10.1021/jp027612l. ISSN  1520-6106.
  5. ^ Chatterjee, P.; Hazra, S.; Amenitsch, H. (2012). "Efecto de sustrato y secado en la forma y ordenamiento de micelas dentro de películas mesoestructuradas de sílice CTAB". Materia Blanda . 8 (10). Real Sociedad de Química (RSC): 2956. Bibcode : 2012SMat....8.2956C. doi :10.1039/c2sm06982b. ISSN  1744-683X. S2CID  98053328.
  6. ^ Hazra, S.; Gibaud, A.; Sella, C. (19 de julio de 2004). "Absorción sintonizable de películas delgadas de nanocermet de Au-Al 2 O 3 y su morfología". Letras de Física Aplicada . 85 (3). Publicación AIP: 395–397. Código Bib : 2004ApPhL..85..395H. doi :10.1063/1.1774250. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Saunders, Aaron E.; Ghezelbash, Ali; Smilgies, Detlef-M.; Sigman, Michael B.; Korgel, Brian A. (2006). "Autoensamblaje columnar de nanodiscos coloidales". Nano Letras . 6 (12). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 2959–2963. Código Bib : 2006NanoL...6.2959S. doi :10.1021/nl062419e. ISSN  1530-6984. PMID  17163739.
  8. ^ Levine, JR; Cohen, JB; Chung, YW; Georgopoulos, P. (1 de diciembre de 1989). "Dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante: nueva herramienta para estudiar el crecimiento de películas delgadas". Revista de Cristalografía Aplicada . 22 (6). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 528–532. doi :10.1107/s002188988900717x. ISSN  0021-8898.
  9. ^ A. Naudon en H. Brumberger (ed.): "Aspectos modernos de la dispersión de ángulos pequeños", (Kluwer Academic Publishers, Ámsterdam, 1995), p. 191.
  10. ^ Hazra, S; Gibaud, A; Desierto, A; Sella, C; Naudón, A (2000). "Morfología de películas delgadas de nanocermet: estudio de dispersión de rayos X". Física B: Materia Condensada . 283 (1–3). Elsevier BV: 97-102. Código Bib : 2000PhyB..283...97H. doi :10.1016/s0921-4526(99)01899-2. ISSN  0921-4526.
  11. ^ Gutmann, JS; Müller-Buschbaum, P.; Schubert, DW; Stribeck, N.; Sonrisas, D.; Stamm, M. (2000). "Correlaciones de rugosidad en películas de mezcla de polímeros ultrafinas". Física B: Materia Condensada . 283 (1–3). Elsevier BV: 40–44. Código Bib : 2000PhyB..283...40G. doi :10.1016/s0921-4526(99)01888-8. ISSN  0921-4526.(Actas de SXNS–6)
  12. ^ Sinha, SK; Sirota, EB; Garoff, S .; Stanley, HB (1 de agosto de 1988). "Dispersión de rayos X y neutrones desde superficies rugosas". Revisión física B. 38 (4). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 2297–2311. Código bibliográfico : 1988PhRvB..38.2297S. doi : 10.1103/physrevb.38.2297. ISSN  0163-1829. PMID  9946532.
  13. ^ Rauscher, M.; Salditt, T.; Spohn, H. (15 de diciembre de 1995). "Dispersión de rayos X de ángulo pequeño bajo incidencia rasante: la sección transversal en la aproximación de Born de onda distorsionada". Revisión física B. 52 (23). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 16855–16863. Código bibliográfico : 1995PhRvB..5216855R. doi : 10.1103/physrevb.52.16855. ISSN  0163-1829. PMID  9981092.
  14. ^ Lazzari, Rémi (18 de julio de 2002). "IsGISAXS: un programa para el análisis de dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia de pastoreo de islas soportadas". Revista de Cristalografía Aplicada . 35 (4). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 406–421. doi :10.1107/s0021889802006088. ISSN  0021-8898.
  15. ^ Lee, Byeongdu; Parque, Insún; Yoon, Jinhwan; Parque, Soojin; Kim, Jehan; Kim, Kwang Woo; Chang, Taihyun; Ree, Moonhor (2005). "Análisis estructural de películas delgadas de copolímero de bloque con dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante". Macromoléculas . 38 (10). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 4311–4323. Código Bib : 2005MaMol..38.4311L. doi :10.1021/ma047562d. ISSN  0024-9297.
  16. ^ ab Busch, P.; Rauscher, M.; Smilgies, D.-M.; Posselt, D.; Papadakis, CM (10 de mayo de 2006). "Dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante de películas delgadas de polímero con estructuras laminares: la sección transversal de dispersión en la aproximación de Born de onda distorsionada". Revista de Cristalografía Aplicada . 39 (3). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 433–442. doi :10.1107/s0021889806012337. ISSN  0021-8898.

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