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).
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 de bloque , [3] mesofases de sílice, [4] [5] y nanopartículas . [6] [7]
GISAXS fue introducido por Levine y Cohen [8] para estudiar la deshumectación del oro depositado en una superficie de vidrio. La técnica fue desarrollada por Naudon [9] y sus colaboradores para estudiar los 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 de semiconductores y la caracterización in situ de depósitos de metales en superficies de óxido. Esto pronto sería seguido por sistemas de materia blanda como películas de polímero ultradelgadas , [11] 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). [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, típicamente utilizando un área. detector. 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 debe tenerse siempre en cuenta en el caso de estudios de película delgada, [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 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. [dieciséis]
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 [2] y los procesos de reorganización en películas de copolímero en bloque bajo la influencia de vapor de solvente [3] 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 el sustrato y la película son accesibles. Variando el ángulo de incidencia se pueden identificar las diversas contribuciones.
Referencias
- ^ Metzger, TH; Kegel, I .; Paniago, R .; Lorke, A .; Peisl, J .; et al. (1998). "Forma, tamaño, deformación y correlaciones en sistemas de puntos cuánticos estudiados mediante métodos de dispersión de rayos X de incidencia rasante". Películas sólidas delgadas . Elsevier BV. 336 (1–2): 1–8. Código Bibliográfico : 1998TSF ... 336 .... 1M . doi : 10.1016 / s0040-6090 (98) 01290-5 . ISSN 0040-6090 .
- ^ a b Renaud, G .; Lazzari, Rémi; Revenant, Christine; Barbier, Antoine; Noblet, Marion; et al. (30 de mayo de 2003). "Monitoreo en tiempo real de nanopartículas en crecimiento". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 300 (5624): 1416–1419. Código Bibliográfico : 2003Sci ... 300.1416R . doi : 10.1126 / science.1082146 . ISSN 0036-8075 . PMID 12775836 . S2CID 7244337 .
- ^ a b Smilgies, Detlef-M .; Busch, Peter; Papadakis, Christine M .; Posselt, Dorthe (2002). "Caracterización de películas delgadas de polímero con dispersión de rayos X de ángulo pequeño bajo incidencia rasante (GISAXS)". Noticias sobre radiación sincrotrón . Informa UK Limited. 15 (5): 35–42. doi : 10.1080 / 08940880208602975 . ISSN 0894-0886 . S2CID 122797468 .
- ^ Gibaud, A .; Grosso, D .; Smarsly, B .; Baptiste, A .; Bardeau, JF; Babonneau, F .; Doshi, DA; Chen, Z .; Brinker, C. Jeffrey; Sánchez, C. (2003). "Autoensamblaje controlado por evaporación de mesofases de tensioactivo de sílice". El Journal of Physical Chemistry B . Sociedad Química Estadounidense (ACS). 107 (25): 6114–6118. doi : 10.1021 / jp027612l . ISSN 1520-6106 .
- ^ Chatterjee, P .; Hazra, S .; Amenitsch, H. (2012). "Substrato y efecto de secado en forma y ordenamiento de micelas dentro de películas mesoestructuradas CTAB-sílice". Materia blanda . Real Sociedad de Química (RSC). 8 (10): 2956. Bibcode : 2012SMat .... 8.2956C . doi : 10.1039 / c2sm06982b . ISSN 1744-683X . S2CID 98053328 .
- ^ 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 . Publicación AIP. 85 (3): 395–397. Código Bibliográfico : 2004ApPhL..85..395H . doi : 10.1063 / 1.1774250 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Saunders, Aaron E .; Ghezelbash, Ali; Smilgies, Detlef-M .; Sigman, Michael B .; Korgel, Brian A. (2006). "Autoensamblaje columnar de nanodiscos coloidales". Nano Letras . Sociedad Química Estadounidense (ACS). 6 (12): 2959-2963. Código Bibliográfico : 2006NanoL ... 6.2959S . doi : 10.1021 / nl062419e . ISSN 1530-6984 . PMID 17163739 .
- ^ Levine, JR; Cohen, JB; Chung, YW; Georgopoulos, P. (1 de diciembre de 1989). "Dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante: nueva herramienta para estudiar el crecimiento de la película delgada". Revista de Cristalografía Aplicada . Unión Internacional de Cristalografía (IUCr). 22 (6): 528–532. doi : 10.1107 / s002188988900717x . ISSN 0021-8898 .
- ^ A. Naudon en H. Brumberger (ed.): "Aspectos modernos de la dispersión de ángulos pequeños", (Kluwer Academic Publishers, Amsterdam, 1995), p. 191.
- ^ Hazra, S; Gibaud, A; Désert, A; Sella, C; Naudon, A (2000). "Morfología de películas delgadas de nanocermet: estudio de dispersión de rayos X". Physica B: Materia condensada . Elsevier BV. 283 (1-3): 97-102. Código Bibliográfico : 2000PhyB..283 ... 97H . doi : 10.1016 / s0921-4526 (99) 01899-2 . ISSN 0921-4526 .
- ^ Gutmann, JS; Müller-Buschbaum, P .; Schubert, DW; Stribeck, N .; Smilgies, D .; Stamm, M. (2000). "Correlaciones de rugosidad en películas de mezcla de polímeros ultrafinas". Physica B: Materia condensada . Elsevier BV. 283 (1–3): 40–44. Código Bibliográfico : 2000PhyB..283 ... 40G . doi : 10.1016 / s0921-4526 (99) 01888-8 . ISSN 0921-4526 .(Actas de SXNS-6)
- ^ Sinha, SK; Sirota, EB; Garoff, S .; Stanley, HB (1 de agosto de 1988). "Dispersión de rayos X y neutrones de superficies rugosas". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 38 (4): 2297–2311. Código Bibliográfico : 1988PhRvB..38.2297S . doi : 10.1103 / physrevb.38.2297 . ISSN 0163-1829 . PMID 9946532 .
- ^ 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". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 52 (23): 16855-16863. Código Bibliográfico : 1995PhRvB..5216855R . doi : 10.1103 / physrevb.52.16855 . ISSN 0163-1829 . PMID 9981092 .
- ^ Lazzari, Rémi (18 de julio de 2002). "IsGISAXS: un programa para el análisis de dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante de islas soportadas" . Revista de Cristalografía Aplicada . Unión Internacional de Cristalografía (IUCr). 35 (4): 406–421. doi : 10.1107 / s0021889802006088 . ISSN 0021-8898 .
- ^ Lee, Byeongdu; Park, Insun; Yoon, Jinhwan; Park, Soojin; Kim, Jehan; Kim, Kwang-Woo; Chang, Taihyun; Ree, Moonhor (2005). "Análisis estructural de películas delgadas de copolímero de bloques con dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante". Macromoléculas . Sociedad Química Estadounidense (ACS). 38 (10): 4311–4323. Código bibliográfico : 2005MaMol..38.4311L . doi : 10.1021 / ma047562d . ISSN 0024-9297 .
- ^ a b Busch, P .; Rauscher, M .; Smilgies, D.-M .; Posselt, D .; Papadakis, CM (10 de mayo de 2006). "Dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante de películas delgadas de polímero con estructuras lamelares - la sección transversal de dispersión en la aproximación de Born de onda distorsionada". Revista de Cristalografía Aplicada . Unión Internacional de Cristalografía (IUCr). 39 (3): 433–442. doi : 10.1107 / s0021889806012337 . ISSN 0021-8898 .
enlaces externos
- Tutorial de GISAXS y GIWAXS de Detlef Smilgies - ¡Enlace actualizado!
- Wiki de GISAXS por Kevin Yager
- Software de modelado / ajuste isGISAXS de Rémi Lazzari
- Software de modelado / ajuste FitGISAXS de David Babonneau
- Software de modelado y ajuste BornAgain del Scientific Computing Group de MLZ Garching
- HiPGISAXS código de simulación Massively Parallel GISAXS de LBNL