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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
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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)
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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°
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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
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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
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ハードディスク用潤滑材の測定例
AlNiPDLC
Lub
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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
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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