Структуру материалов на наноуровне можно визуализировать несколькими способами. Зондовая микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия позволяют изучать материалы с атомным разрешением. Однако неразрушающее исследование материала в объеме, позволяющее получить количественную информацию об элементном и химическом составе в наномасштабе, пока представляется неосуществимым.
Для таких целей могли бы подойти рентгеновские лучи благодаря их большой глубине проникновения в материал и специфическим взаимодействиям с электронами вещества. В настоящее время широкое распространение получили микроскопические методы, основанные на рентгеновской фотоэмиссии электронов, рентгеновской флуоресценции, а также сканирующие и просвечивающие рентгеновские микроскопы. Однако пространственное разрешение этих методик лимитируется фокусирующей оптикой. Поэтому перспективными являются безлинзовые методы, основанные на дифракции рентгеновских лучей.
Исследователи из США и Австралии впервые продемонстрировали метод резонансной рентгеновской дифракционной микроскопии (
resonant x-ray diffraction microscopy) для визуализации наноструктуры материала в объеме.
Метод основан на резком изменении атомных коэффициентов рассеяния рентгеновского излучения вблизи краев поглощения, т.е. методика является чувствительной к элементному составу и химическому состоянию. Картины дифракции когерентного рентгеновского излучения получают с обеих сторон от края поглощения, а по их разнице можно восстановить пространственное распределение элементов.
На рисунке 1 приведена схема микроскопа, использующего синхротронный пучок. Метод был использован для определения примеси висмута в кристалле кремния. Как известно, примеси во многом определяют физические свойства материалов даже при их очень малой концентрации. В данном образце концентрация примеси была довольно высока - 5×10
20 cm
-3.
Для построения карт распределения висмута использовались энергии пучка 2.550 кэВ и 2.595 кэВ, находящиеся с разных сторон от края поглощения Bi
M5. Дифракционные картины приведены на рисунке 2. Хотя в целом они выглядят одинаковыми, все же можно обнаружить заметные различия. Интенсивность во многом зависит от морфологии поверхности и толщины образца, однако на разностной картине это влияние нивелируется. Далее путем непростой обработки изображений можно построить карты распределения висмута в образце (рис. 3). Разрешение составило 14.5 нм/пкс. Теоретически может быть достигнуто и атомное разрешение.
Подробнее новая методика описана в статье
«Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy» в журнале
Physical Review Letters.
