Studium tenkých polykrystalických vrstev pomocí kombinované metody RTG reflektometrie a difrakce

• Thesis title in Czech: Studium tenkých polykrystalických vrstev pomocí kombinované metody RTG reflektometrie a difrakce
• Thesis title in English: Study of thin polycrystalline layers using combined X-ray diffractometry and reflectometry
• Key words: prášková difrakce|RTG reflectometrie|tenké vrstvy
• English key words: powder diffraction|X-ray reflectometry|thin layers
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Department: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Supervisor: Mgr. Lukáš Horák, Ph.D.

Guidelines

Jednou ze základních metod prvotni charakterizace tenkých polykrystalických vrstevnatých struktur je RTG difrakce a RTG reflektometrie. Zatímco difrakční experiment umožňuje identifikovat fázové složení vrstev a zpřístupňuje informaci o velikosti zrn, napětí, případně koncentraci defektů, RTG reflektometrie nám umožňuje určit hloubkový profil střední elektronové hustoty ve vzorku. V praxi tak lzé získat konkrétní představu o tloušťce a homogenitě daných vrstev, případně vrstevnatých struktur. Cílem této práce je vypracování kombinované metody schopné určit hloubkové profily koncentrací jednotlivých krystalických fází ve tenkých vrstvách. Na základě výsledků RTG reflektometrie bude spočítána extinkce dopadajícího záření v libovlné hloubce vzorku, stejně tak i extinkci diffraktovaného záření z dané hloubky během propagace k povrchu vzorku. Tyto hodnoty jsou silně závislé na úhlu dopadu primárního záření na vzorek. Intenzita difraktovaného záření jednotlivých fází pro různé úhly dopadu je tedy dána spočtenou funkcí transmisivity a koncentračním profilem dané fáze ve vzorku. Porovnáním závislosti intenzity difraktovaného záření pro danou fázi na úhlu dopadu lze dopočítat hloubkový koncentrační profil jednotlivých strukturních fází.
Předpokládá se následný průběh řešení:
1. zvládnutí teoretických základů teorie RTG rozptylu
2. implementace výpočtu spekulární odrazivosti pro vícevrstevnaté systémy
3. změření reflektivních a difrakčních křivek pro sadu vzorků tenkých polykrystalických (jedno/více)vrstevnatých sytémů
4. určení hloubkové ho profilu střední elektronové hustoty z naměřených reflektivních křivek
5. určení hloubkového profilu fázového složení z porovnání difrakčních křivek a simulací využívající získaný profil elektronové hustoty.

References

[1] V. Valvoda, M. Polcarová, P. Lukáč: Základy strukturní analýzy, Karolinum, Praha, 1992 
[2] Pietsch, U., Holý, V., & Tilo Baumbach. (2004). High-resolution X-ray scattering from Thin Films and Lateral Nanostructures (Second). New York: Springer.
[3] Als-Nielsen, J., & McMorrow, D. (2001). Elements of Modern X-Ray Physics. New York: Wiley.
[4] Fewster, P. F., Andrew, N. L., Holý, V., & Barmak, K. (2005). X-ray diffraction from polycrystalline multilayers in grazing-incidence geometry: Measurement of crystallite size depth distribution. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 72(17), 174105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.174105
[5] Krčmář, J., Holý, V., Horák, L., Metzger, T. H., & Sobota, J. (2008). Standing-wave effects in grazing-incidence x-ray diffraction from polycrystalline multilayers. Journal of Applied Physics, 103(3), 33504. https://doi.org/10.1063/1.2836974

Preliminary scope of work

Tenké polykrystalické vrstvy a vrstevnaté struktury jsou široce využívány v celé škále aplikací. K vývoji nových materiálů neodmyslitelně patří důkladná charakterizace nových vzorků. RTG metody patří vzhledem ke své nenáročnosti a především nedestruktivnímu charakteru k zádkladním charakterizačním metodám. Fázová analýza tenkých vrstev pomocí RTG difrakce a určení tlouštěk vrstev pomocí RTG reflektometrie dnes patří k rutinním metodám charakterizace. Přesto a snad i právě proto je žádoucí tyto metody rozvíjet. Tato práce ma za cíl zkombinovat obě RTG metody a umožnit tak jednoduché určení fázového složení v libovolné hloubce tenké vrstvy i pro poměrně složité a nehomogenní systémy vrstevnatých struktur. Student se naučí základní znalosti provádění a vyhodnocováni RTG experimentů, které jsou dnes standardní součástí průmyslové charakterizace.

Preliminary scope of work in English

Thin polycrystalline layers and layered structures are being used intensively in many applications. The development of new materials needs a thorough characterization of new samples. X-ray methods belong due to its simplicity and mainly due to its nondestructive character to basic characterization methods. Nowadays, the phase analysis of thin layers using X-ray diffraction and the layer thickness determination using X-ray reflectivity belong to regular characterization methods, nevertheless, it is quite desirable to improve them. The aim of this work to combine both methods in order to easily determine the phase composition in arbitrary depth also for relatively complex and inhomogeneous layered structures. The student should learn the basics of the measurement and the evaluation of the X-ray experiments, which are currently the routine methods of industrial characterization.