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2023-04-15T17:47:00Z

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Die '''Neutronenreflektometrie''' ist eine [[analytische Methode]] zur Untersuchung von [[Grenzfläche]]n und [[Dünne Schicht|dünnen Schichten]]. Dazu werden [[Neutron]]en auf eine Grenzfläche gestrahlt und dort [[Neutronenstreuung|gestreut]]. Die gestreuten Neutronen werden [[Teilchendetektor|detektiert]] und ausgewertet.

Das Grundprinzip ist daher vergleichbar mit anderen [[Reflektometrie|reflektometrischen Methoden]] wie der [[Röntgenreflektometrie]] oder der [[Ellipsometrie]], die jedoch auf der [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] [[Elektromagnetische Strahlung|elektromagnetischer Strahlung]] basieren.

Die Methode eignet sich für die Gewinnung von Informationen über die Oberfläche oder die Grenzfläche einer [[Festkörper]]<nowiki></nowiki>schicht oder eines ‑schichtsystems bis zu einer Tiefe von 150 [[Nanometer|nm]]. Besonders Materialien mit magnetischen Eigenschaften lassen sich gut untersuchen.<ref>{{Internetquelle |autor= |hrsg= Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) |url= http://www.helmholtz-berlin.de/angebote/tt-industrie/methoden/neutronenreflektometrie_de.html |format= |titel=Untersuchung dünner Schichten|werk= | datum= |zugriff=2016-05-02}}</ref>

Durch die Tiefenabhängigkeit der mittleren Neutronen-[[Partialwelle #Streulänge|Streulänge]]n<nowiki></nowiki>dichte ergibt sich ein hohes [[Auflösungsvermögen]] von etwa einem Nanometer, so dass sich u. a. Interdiffusion zwischen benachbarten Schichten unterschiedlicher [[Isotop]]e nachweisen lässt.<ref>{{Internetquelle |autor= |hrsg= Komitee Forschung mit Neutronen |url= http://sni-portal.uni-kiel.de/kfn/Infos/Methoden/Reflektometrie.php|format= |titel=Methoden - Reflektometrie |werk= | datum= |zugriff=2012-11-26}}</ref> Diese „Isotopen[[Empfindlichkeit (Analytik)|sensitivität]]“ gründet darauf, dass Neutronen bevorzugt mit [[Atomkern]]en und nicht wie elektromagnetische Strahlung mit der [[Atomhülle]] wechselwirken.<ref name="Fick2005">{{Literatur | Autor = Jörg Fick | Titel = Charakterisierung von biokompatiblen Oberflächen mittels Vibrations-Summenfrequenzspektroskopie und Neutronenreflektometrie | Jahr = 2005 | Online = [http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/5907 Online] | Kommentar = Dissertation, Universität Heidelberg, Fakultät für Chemie und Geowissenschaften}}</ref>

== Funktionsweise ==
Zur Messung wird ein [[Kollimator|kollimierter]] Neutronenstrahl mit einer [[kinetische Energie|kinetischen Energie]] von einigen hundertstel [[Elektronenvolt]] auf eine (sehr glatte) Grenzfläche gestrahlt und die [[Intensität (Physik)|Intensität]] der [[Reflexion (Physik)|reflektierten]] Neutronen über den Reflexionswinkel gemessen ([[Reflexion (Physik) #Gerichtete Reflexion|gerichtete Reflexion]], der Reflexionswinkel entspricht dem [[Einfallswinkel]]). Dazu sind eine entsprechende [[Neutronenquelle]], beispielsweise eine [[Spallationsquelle]], und ein [[Neutronenleiter]] notwendig. Die Form des [[Intensität (Physik)|Intensitätsprofils]] liefert verschiedene Informationen über die gemessene Oberfläche, wie die [[Schichtdicke]], [[Dichte]] oder Grenzflächen[[rauigkeit]].

Gemäß der Theorie von [[Louis de Broglie]] können mikroskopische Teilchen wie Neutronen als [[Materiewelle]] beschrieben und ihnen eine charakteristische [[Wellenlänge]] zugeordnet werden, die vom [[Impuls]] <math>p</math> der Neutronen abhängt:

:<math>\lambda_\text{Neutron} = \frac{h}{p}\,,</math>

wobei <math>h</math> die [[Plancksche Konstante]] ist.

Für Neutronen mit einer kinetischen Energie von einigen hundertstel [[Elektronenvolt]] beträgt die [[De-Broglie-Wellenlänge]] und somit das theoretische Auflösungsvermögen einige Zehntel [[Nanometer]].

Mathematisch gesehen kann u. a. durch diese Zusammenhänge die Reflexion von Neutronen ähnlich der Reflexion von elektromagnetischer Strahlung beschrieben werden.<ref name="Fick2005" /> Das heißt, man definiert für das Material einen [[Brechungsindex #Komplexer Brechungsindex|komplexen Brechungsindex]] <math>n = 1 - \delta + \mathrm i \beta</math> und nutzt die aus der [[Optik]] bekannten Gesetzmäßigkeiten (vgl. [[Brechungsgesetz]], [[fresnelsche Gleichungen]], [[Abelès-Matrixformalismus]]<ref>{{Literatur | Autor = Florin Abelès | Titel = La théorie générale des couches minces | Sammelwerk = Journal de Physique et le Radium | Band = 11 | Jahr = 1950 | Nummer = 7| Seiten = 307–309| DOI= 10.1051/jphysrad:01950001107030700}}</ref> und [[Parratt-Rekusionsformel]]<ref>{{Literatur | Autor = L. G. Parratt | Titel = Surface Studies of Solids by Total Reflection of X-Rays | Sammelwerk = Physical Review | Band = 95 | Jahr = 1954| Nummer = 2| Seiten = 359–369| DOI= 10.1103/PhysRev.95.359}}</ref>). Diese Form der Darstellung bietet sich an, da wie bei [[Röntgenstrahlung]] der [[Realteil]] des Brechungsindexes sehr nahe bei 1 liegt. In der Literatur findet man daher oft nur die [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] <math>\delta</math> angegeben, die in der Regel in der Größenordnung von 10<sup>−6</sup> liegt. Der [[Absorptionskoeffizient]] <math>\beta</math> kann in vielen Fällen vernachlässigt werden, da er außer für stark [[Absorption (Physik)|absorbierende]] Isotope wie [[Bor]] oder [[Lithium]] in der Größenordnung von 10<sup>−12</sup> liegt.<ref name="Fick2005" />

Ähnlich wie bei Röntgenstrahlung tritt aufgrund des minimal geringeren Realteils des Brechungsindexes als bei [[Luft]]/[[Vakuum]] auch bei Neutronen externe [[Totalreflexion]] auf, wenn die Neutronen sehr flach, d. h. bei Einfallswinkeln nahe 90° (vom [[Lot (Mathematik)|Lot]]), auf die glatte Probe fallen (''streifender Einfall''). Dieser Messaufbau bietet sich an, da andernfalls die Intensität der reflektierten Neutronen zu gering bzw. die Verluste zu hoch für eine Auswertung wäre.

== Varianten ==
Neben der gerichteten Reflexion gibt es noch zwei weitere Probentechniken unter streifenden Einfall:
# Streuung in der Einfallsebene ({{lang|en|''off-specular scattering''}}) und
# Streuung senkrecht zur Einfallsebene.
Die Methoden unterscheiden sich nicht nur in der Art und Weise, wie das Neutronenspektrum aufgenommen wird und welche Streumechanismen wirken, sondern auch in der Informationstiefe:
* Wie oben erwähnt liegt die Informationstiefe bei der gerichteten Reflexion im Bereich von 3 nm bis 100 nm (manchmal auch 150 nm).
* Die Streuung senkrecht zur Einfallsebene liefert ähnliche Tiefeninformationen (3 nm bis 100 nm).
* Dagegen liefert die ''Off-specular-scattering''-Technik Informationen aus dem Bereich 600 nm bis 60 µm Tiefe.<ref>{{Literatur | Herausgeber = Jean Daillant, Alain Gibaud | Sammelwerk = X-ray and Neutron Reflectivity: Principles and Applications | Verlag = Springer | Jahr = 2008 | ISBN = 978-3-540-88587-0 | Autor = C. Fernion, F. Ott, A. Menelle |Titel = Neutron Reflectometry
|Seiten= |Online = {{Google Buch|BuchID=P6B-a10m7KEC|Seite=183}}}}</ref>

== Darstellung ==
Im Unterschied zur „optischen“ Reflektometrie erfolgt die Darstellung der Messergebnisse normalerweise ''nicht'' in Form der Reflexions-, [[Absorptionsgrad|Absorptions-]] oder [[Transmissionsgrad]]s in Abhängigkeit vom Winkel oder der Wellenlänge, sondern der [[Reflexionsgrad]] (die Reflektivität) wird als Funktion des [[Impulsübertrag]]s <math>q_z</math> (in z-Richtung, senkrecht zur Grenzfläche) dargestellt.

Der Impulsübertragungsvektor beschreibt die Änderung des Neutronenimpulses bei der Reflexion am Material:

:<math>q_z = \frac{4\pi}{\lambda}\cos ( \theta )</math>

mit
* der De-Broglie-Wellenlänge <math>\lambda</math>
* dem [[Einfallswinkel]] <math>\theta </math> der Neutronen.

== Siehe auch ==
* [[Neutronendiffraktometrie]]

== Literatur ==
*{{Literatur | Herausgeber = Jean Daillant, Alain Gibaud | Sammelwerk = X-ray and Neutron Reflectivity: Principles and Applications | Verlag = Springer | Jahr = 2008 | ISBN = 978-3-540-88587-0 | Autor = C. Fernion, F. Ott, A. Menelle |Titel = Neutron Reflectometry
|Seiten= |Online = {{Google Buch|BuchID=P6B-a10m7KEC|Seite=183}}}}
*{{Literatur | Herausgeber = Masahiko Utsuro, Vladimir K. Ignatovich | Sammelwerk = Handbook of Neutron Optics | Verlag = John Wiley & Sons | Jahr = 2010 | ISBN = 978-3-527-62879-7| Autor = |Titel = Neutron Reflectometry |Seiten= 39 ff|Online = {{Google Buch|BuchID=G-qkWJsGFtAC|Seite=39}}}}

== Weblinks ==
* {{Internetquelle | autor = Adrian Rühm, János Major, Helmut Dosch | titel = Neutronenforschung an niederdimensionalen Materialien | url = https://www.mpg.de/351624/forschungsSchwerpunkt1 | zugriff =2018-10-26| datum = }}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Oberflächenphysik]]

Neutronenreflektometrie - Versionsgeschichte

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