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SPring-8とは
大型放射光施設
(高輝度なX線源)
高輝度なX線を用いた研究、分析、解析
蛍光X線
入射X線
透過X線(X線吸収)
散乱X線(回折X線)(反射X線)
光電子
物 質
X線による分析・評価技術
X線イメージング
(X線吸収、屈折)
X線結晶構造解析
(回折X線)
蛍光X線分析
(蛍光X線)
X線光電子分光
(光電子)
X線反射率測定
(反射X線)
X線吸収分光
(透過X線、蛍光X線、光電子)
SPring-8の光源
偏向電磁石光源
(Bending Magnet)
挿入(Undulator)光源
実験室装置よりも約10万倍輝度が高い
連続スペクトル光源
実験室装置よりも約10億倍輝度が高い
SPring8の放射光利用
光源の特徴
高強度
(明るい)
高指向性(平行性が高い)
高エネルギー
エネルギー可変
特徴を活かした利用
微量測定
(高感度)
高速測定
(時分割)
微小領域測定高角度分解能測定
深部測定重元素内殻励起
最適なエネルギーの選択X線分光
東北大学
谷垣教授
提供
SPring8 (0.75nm)
Yb2.75 C60
同一試料での比較
実験室系とのX線回折データの比較
0 10 200
10000
20000
Lab. (Mo
K
α)
0 10 200
200
400
600
800
SPring-8の威力(高輝度、高指向性)
測定
16時間
測定
10分
高速測定
(高輝度)
高S/B (高指向性)
有機デバイス研究に有用な測定技術
有機デバイス
:
重要な機能を担う部分は薄膜
薄膜に適した分析・評価技術
結晶構造、配向
微小角入射X線回折(散乱)
密度ゆらぎ(空隙、析出)
微小角入射X線小角散乱
反射小角散乱
膜密度、膜厚
X線反射率
表面・界面形態
散漫散乱
化学状態
X線光電子分光(XPS)X線吸収分光(XAFS)
回折面
iα
Bθ2
面内回折X線
iα入射X線(αi :入射角)
微小角入射X線散乱(回折)
試料表面(界面)、薄膜の面内構造を反映した散乱(回折)を測定
試料表面に極く小さい角度でX線を入射試料深部へのX線の侵入を抑制、
表面(界面)、薄膜からの散乱を感度よく測定
ラビング方向に平行方向の結晶性を測定
ラビング方向に垂直方向の結晶性を測定
θθ 2− スキャン
θθ 2− スキャン
qラビング
qラビング
ラビング方向(主鎖方向)
散乱ベクトル q
GIXDによる配向膜の面内異方性測定PMDA/ODAの場合
(試料提供
日産化学
酒井氏)
基板
膜
基板
膜
100
101
102
103
104
Pene
tratio
n D
epth
[nm
]
0.300.250.200.150.100.050.00Incident Angle [deg]
o16.0=iθ o10.0=iθ
120011001000
900800In
tens
ity [a
.u.]
876543Scattering Angle [deg]
500
400
300
200Inte
nsity
[a.u
.]
876543Scattering Angle [deg]
qラビング
qラビング
ラビング処理により配向膜表面近傍の結晶性に異方性が生じる
入射角による測定深さの制御
ラビング方向(主鎖方向)
散乱ベクトル q
40
30
20
10
0
Inte
nsity
[a.u
.]
180900-90-180Rotation of sample [deg]
60
40
20Inte
nsity
[a.u
.]
2015105Scattering angle [deg]
2θ固定
2θ固定
押し込み量:0.4mm
面内配向分布測定
0200400600800
100012001400160018002000
0 0.2 0.4 0.6 10
100
1000
10000
100000
1000000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
PMDA/ODASi
入射角と侵入深さ
全反射臨界角の前後で侵入深さが著しく変化
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
散乱角2θ
反射
率
NiP DLC(5nm)/NiP DLC(10nm)/NiP
基板のみ
DLC5nmDLC10nm
X線反射率法で得られる情報
・膜厚・・・振動周期
・密度・・・全反射臨界角、振動振幅
・粗さ・・・振動減衰
X線反射率測定
振動構造(干渉効果)
干渉入射X線
表面
界面
X線反射率測定
(振動構造の起源)
DLC(10nm)/NiP
散乱角2θ
反射
率
Co(10nm)/NiP
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
DLC :2.5NiP : 7.9
Co :
8.9NiP : 7.9
膜密度と反射率振動
N
O
N
O
OO
O
n
PMDA ODA
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100R
efle
ctiv
ity
43210Scattering Angle [deg]
密度:
1.4 g/cm3
膜厚:
103 nm
液晶配向膜の反射率測定による評価例
試料提供
日産化学
酒井氏
ハードディスク用潤滑材のX線反射率測定
松村石油研究所
θ2
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
ラビング q//ラビング q⊥
θ
散漫散乱(回折)
表面(界面)のroughnessに関する知見を与える
Roughness のフラクタル次元、相関距離
入射角
散乱角 1.2°
Linear accelerator1.15GeV
SPring-8 storage ring
UndulatorDouble crystal
Monochromator
Si(111)
Synchrotron
8GeV
Electron energy analyzer
Channel-cut Monochromator
Si
(333)
Sample
6-10 keVのX線で励起
高エネルギーX線光電子分光
表面の汚染に鈍感試料深部の情報が得られるX線照射による試料劣化が小さい
0 2000 4000 6000 8000 100000
50
100
150
200
250
Si
NaCl
SiO2
GaAs
Au
Electron Kinetic Energy (eV)
Inela
stic
Mean
Pat
h (A
)
30Å(SiO2 )
210Å(SiO2 )
140Å(SiO2 )
Al Kα
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
10 100 1000 10000
photon energy (eV)
cro
ss s
ecti
on
(Mb)
Ga4s
Ga3d
As4s
As3d
As4p
N2s
N2p
Zn4s
Zn3d
Te5s
Te4d
Te5p
O2s
O2p
光電子の脱出深さのエネルギ-依存性 光イオン化断面積のエネルギ-依存性
脱出深さが大きい(深い)
深部の情報が得られる
イオン化断面積が小さい
感度が小さい
高エネルギーX線光電子分光の特徴
ハードディスク用潤滑材の測定例
AlNiPDLC
Lub
X線吸収微細構造(XAFS)
液体、非晶質物質もOK、大気中測定可能、試料環境変化可能
SiPt mirror
Ion chamber Ion chamber
6950 7000 70500
2
4
6
8
10
annealed BAM
Eu2O3
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Energy (eV)
Abs
orba
nce
(a.u
.)EuCl3
EuCl2
irradiated 24 h
irradiated 12 h
non–irradiated
XAFS測定の例(蛍光体の加熱酸化)
UVXe,He