Världens nyaste och ljusaste synkrotronljuskälla – National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory – har producerat en av de första publikationerna som är resultatet av arbete som utförts under anläggningens vetenskapliga driftsättningsfas.

Publicerad 7 juli i onlineupplagan av International Union of Crystallography Journal (en nyligen lanserad tidskrift från International Union of Crystallography), uppsatsen diskuterar ett nytt sätt att tillämpa ett allmänt använt analysverktyg för lokal struktur – känt som atomic pair distribution function-analys (PDF) – på röntgenspridningsdata från tunna filmer, snabbt ge högkvalitativ information om filmernas atomstruktur. Arbetet skapar nya vägar för studier av nanokristallina tunna filmer.

Detta arbete visar att NSLS-II—en DOE Office of Science User Facility med ultraljus, ultrakoncentrerade röntgenstrålar – har redan visat sig vara en spelomvandlare i studier av tunna filmer, som spelar en avgörande roll i ett stort antal tekniker, inklusive datachips och solceller.

Tunnfilmsutmaningar

I applikationer och under experiment, tunna filmer (definierade som att ha tjocklekar från bara några få till mer än 1000 nanometer, eller miljarddels meter) deponeras på en tjock bas, kallas ett substrat, ofta gjorda av kristallina wafers av kisel, kiseldioxid, eller aluminiumoxid. Det är extremt svårt att studera materialstrukturen i denna geometri på grund av den lilla mängden filmmaterial och den stora mängden substrat. För att minimera spridningen av röntgenstrålar från substratet, som tenderar att dölja data från den lilla provvolymen, tunnfilmsröntgenstudier görs med hjälp av betesincidens (GI) röntgenexperiment.

I GI-studier, röntgenstrålen betar filmens yta så att den reflekteras från substratet, tillåta strålen att belysa så mycket av filmen som möjligt samtidigt som penetration genom filmen in i substratet minimeras. Dock, den lilla infallsvinkeln gör GI-studier notoriskt svåra att genomföra och introducerar allvarliga komplexiteter i dataanalys.

"Betesförekomst diffraktionsexperiment är knepiga för kristallina material, och har aldrig framgångsrikt gjorts för att få PDF-filer från filmer, sa en av tidningens författare, Simon Billinge, en fysiker med en gemensam position vid Brookhaven och Columbia Universitys School of Engineering and Applied Science. "Experimenten är för noggranna och dataanalysen är extremt utmanande."

Studerar "atomkvarteret"

PDF tillhandahåller lokal atomär strukturell information – det vill säga data för grannskap av atomer – genom att ge avstånden mellan alla par av atomer i provet. Dessa avstånd visas som toppar i data. På senare år har PDF har blivit en standardteknik i strukturella studier av komplexa material och kan användas för prover som är bulk- eller nanoskala, amorf eller kristallin.

Tillvägagångssättet som Billinge och hans kollegor utarbetade utnyttjar de höga flödena av fotoner som kommer från NSLS-II, som, tillsammans med nya dataminskningsmetoder som nyligen utvecklats i hans grupp, skapar data lämplig för PDF-analys från en tunn film. Väsentligen, det vänder på det vanliga GI-experimentet:strålen skickas helt enkelt genom filmen från baksidan till framsidan.

Eric Dooryhee, den ledande forskaren för NSLS-II X-Ray Powder Diffraction (XPD) strållinjen, där arbetet utfördes, förklarade, "Den första gruppen av NSLS-II-strållinjer går nu framgångsrikt över från teknisk driftsättning, som började redan hösten 2014 när vi först producerade röntgenljus, mot vetenskaplig beställning, där vi benchmarkar och testar strållinjeförmågan på verkliga prover. Att extrahera den tunna filmens lilla signal från substratets stora signal i denna normala infallsgeometri är extremt tekniskt svårt. Ändå, Jag sa till Simon att XPD borde klara utmaningen."

Förhandstitt på framtida genombrott

Gruppen testade tunnfilms-PDF (som de kallar tfPDF) med både kristallina och amorfa tunna filmer, var och en ca 360 nm tjock. Samarbetet inkluderar grupperna Bo Iversen vid Aarhus Universitet i Danmark och Dave Johnson från University of Oregon, som förberedde de tunna filmerna.

Det första provet som studerades var en amorf järn-antimonfilm på ett amorft borsilikatsubstrat monterat vinkelrätt mot röntgenstrålen. För att isolera bidraget från filmen, Substratbidraget bestämdes först genom att mäta spridningsmönstret från ett rent substrat. Signalen från filmen är knappt synlig i rådata ovanpå det stora substratbidraget, men kunde tydligt extraheras under databehandling. Detta möjliggjorde en pålitlig, PDF med låg brus som kan modelleras framgångsrikt för att ge filmens kvantitativa atomstruktur.

Uppgifterna ledde till högkvalitativa PDF-filer för både amorfa och kristallina filmer – bekräftade genom jämförelse med kontrollprover i en standard PDF-inställning. Baserat på framgången med dessa första mätningar, Billinge-gruppen och XPD-teamet planerar nu framtida experiment för att se filmerna kristallisera i realtid, i strålen.

"Upptäckten att vi så lätt kan få PDF-filer från prover i tunnfilmsgeometri kommer att revolutionera detta vetenskapsområde, sa Kirsten Jensen, en postdoktor i Billinges grupp vid Columbia. "Experimenten kräver ingen specialiserad utrustning eller expertis utöver strållinjeinställningen vid XPD och är snabba, öppnar vägen för tidsupplösta in-situ-studier av förändringar i filmstruktur under bearbetning såväl som rumsligt lösta studier av nanostrukturerade filmer på plats."

Lade till Billinge, "Detta är ett spännande nytt resultat i sig, men det ger oss bara en glimt av de möjligheter som NSLS-II kommer att presentera när kraften ökar under de närmaste åren. Det här är toppen av isberget av vad som kommer att vara möjligt när NSLS-II fungerar med full effekt."