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1、中子反射技术及其在薄膜材料研究中的应用第28卷第12期2009年12月中国材料进展MATERIALSCHINAV01.28No.12Dec.2009中子反射技术及其在薄膜材料研究中的应用李天富,陈东风,刘蕴韬(中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413)摘要:中子反射技术作为薄膜材料结构和性能表征手段之一,目前得到了广泛的应用,尤其是在磁性薄膜和有机薄膜等研究领域的某些方面更有其不可替代的作用.将根据中子反射技术的特点,简单介绍其基本原理和实验技术方法,以及在某些方面的研究优势,并列举一些在聚合物,生物,磁性等领域的典型应用实例,为想要了解和使用该技术的科研
2、人员提供有益的帮助.关键词:中子反射;薄膜材料;研究与应用中图分类号:0571.56文献标识码:A文章编号:1674—3962(2009)12—0006—04NeutronReflectometryandItsApplicationinStudiesofThinFilmsLITianfu,CHENDongfeng,LIUYuntao(DepartmentofNuclearPhysics,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)Abstract:Neutronreflectometry(NR)hasbeenwi
3、delyusedincharacterizingthestructureandprope~yofthinfilms,anditplaysanindispensableroleinstudiesofmagneticandorganicthinfilmsespecially.Thebasicprinciples,theex—perimentalmethodologyandtheadvantagesofNRinsomeresearcharebrieflyintroduced.Sometypicalexamplesofitsapplicationsinfieldsofpol
4、ymerscience,biologyandmagnetismaregiven.Keywords:neutronreflectometry;thinfilms;researchandapplication1前言中子反射技术是通过测量界面薄膜材料对中子的反射分析获知界面处O.5—500nm尺度范围内结构成分等信息的先进材料表征技术.由于中子具有电中性,有磁矩,对同位素灵敏,深穿透等独特优势,自20世纪8O年代中子反射技术被应用于薄膜及界面的微观结构研究以来…,其应用范围逐渐扩大,已经在聚合物,生物,磁性等热点学科领域发挥着不可替代的作用.随着中子反射技术的需求逐渐增加
5、,这种技术正在被更多的研究人员了解和使用,其仪器性能也得到了不断的改进和完善.目前,世界上仅有约40台中子反射谱仪,主要分布在研究用反应堆中子源和散裂中子源.我国虽然尚无可用的反射谱仪,但是在中国原子能科学研究院在的中国先进研究堆上正建设一台中子反射谱仪,同收稿日期:2009—10—28基金项目:国家重点基础研究发展计划(2010CB833101)资助通信作者:刘蕴韬,男,1972年生,博士,研究员时,中国散裂中子源也计划建设一台反射谱仪.这些谱仪的建成运行将为国内的科研工作者提供这一先进独特的界面和薄膜表征手段,促进相关科学研究工作的开展.本文首先介绍中子反射的独
6、特点,并简单介绍中子反射的原理和实验技术,最后列举典型的应用实例,说明中子反射技术独特先进性及其应用范围.2中子反射谱仪的特点与x射线反射技术相比,中子反射具有一些独特的优点,这些优点使得其与x射线反射技术互补,成为薄膜和界面研究的强有力工具.中子与原子核相互作用,散射长度随原子序数的变化见图1.中子能够区分氢和氘,因此可以利用同位素替代,实现反差变化方法或者特定结构的标识,特别适合软物质薄膜或水溶液界面的研究.另外,中子还能够区分近邻元素,例如铁和锰;具有对轻元素(碳,氢,氮,氧)灵敏等特点非常适合用于研究有机材料.中子有磁矩,能够被极化,能用以获知薄膜结构和磁信
7、息.非常适合磁性薄膜或多层膜的研究.中子不带电,具有很强的穿透力,能用于材料内部第l2期李天富等:中子反射技术及其在薄膜材料研究中的应用7=0o/x—ray//
8、/【IH.lt0204060801(30AtomicNumber.Z图1中子与X射线的散射长度随原子序数的变化Fig.1CoherentscatteringlengthofneutronandX-rayasafunctionofatomicnumber界面研究.中子能够穿透较厚的硅,石英,蓝宝石和铝等材料而衰减很少.这些材料非常适合用作薄膜生长的衬底或者样品环境设备的中子窗.与同步辐射x射线相比,中子不
