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MARIA

Magnetisches Reflektometer für große Einfallswinkel

MARIA MARIA

Das Neutronen Reflektometer mit Polarisationsanalyse MARIA wurde gebaut, um damit dünne magnetische Schichten bis in den Bereich von Monolagen und lateralen Strukturen zu untersuchen. Die Analyse von reflektierten polarisierten Neutronen gestattet es, unabhängig voneinander die Dichte, den Betrag und die Richtung des Magnetisierungsvektors von vergrabenen Schichten zu bestimmen.

MARIA ist optimiert für Schichtdicken von 3 – 300 Å und laterale Strukturgrößen vom Nanometer- bis in den Mikrometerbereich. Um dabei einen maximalen Fluss zu haben, ist das Instrument darauf ausgelegt, mit einem vertikal fokussierten Neutronenstrahl Probengrößen von 1 cm2 zu untersuchen. Der gesamte Wellenlängenbereich beträgt 4.5 Å < λ < 40 Å , wobei die maximale Intensität bei einer Wellenlänge von λ = 4.5 Å vorliegt. Weiterhin beträgt der maximale Einfallswinkel 180° und der Ausfallswinkel umfasst -14° bis 100°. MARIA bietet standardmäßig Polarisationsanalyse. Der Strahl wird durch einen polarisierenden Neutronenleiter polarisiert (Z-Richtung; 4.5 Å < λ < 10 Å) und durch eine Weitwinkel – 3He-Zelle analysiert.

Außer in der oben beschriebenen Betriebsart als Reflektometer mit guter Auflösung in der horizontalen Streuebene kann MARIA auch als GISANS-Instrument unter streifendem Einfall eingesetzt werden. Diese Betriebsart erhöht die Auflösung in vertikaler Richtung und erlaubt Messungen lateraler Strukturen bis in den Nanometerbereich.

Als Probenaufnahme ist ein Hexapod mit zusätzlichem 360°-Drehtisch aufgebaut, der mit bis zu 500 kg beladen werden kann. Mit dem Standardaufbau können mit einem Bruker Elektromagnet Magnetfelder bis 1.3 T bei Temperaturen bis herab zu 4 K (geschlossener He-Kryostat) angelegt werden. Zusätzlich steht die gesamte Palette der JCNS-Probenumgebung zur Verfügung, d.h. Magnetfelder bis zu 5 T und Temperaturen von 50 mK bis 500 K.

Alle Komponenten von MARIA können von einem Linux-basierten Computer (“Jülich-Münchner Standard”)gesteuert werden. Von diesem Rechner können ferngesteuert automatische Scans und Geräte der Probenumgebung wie Kryostaten und Elektromagnete programmiert und überwacht werden.

Typische Anwendungen

Mit Streuexperimenten unter streifendem Einfall kann tiefenaufgelöst die lateral gemittelte Magnetisierung und die Korrelationen ihrer lateralen Fluktuationen untersucht werden. Mit einem polarisierten Neutronenstrahl werden zusätzlich die Vektoren der lateral gemittelten Magnetisierung (Reflektivität) und die Korrelationen der lateralen Fluktuationen erhalten (diffuse Streuung auf der Mikrometerlängenskala, GISANS auf der Nanometerlängenskala).

Mit polarisierten Neutronen ist MARIA allgemein zur Messung magnetischer Rauigkeiten, der Bildung magnetischer Domänen in dünnen Schicht- und lateralen Strukturen geeignet. Mit einem intensiven unpolarisierten Strahl lassen sich Dichteprofile und die Struktur von festen Polymeren untersuchen.
Sehr gut untersucht werden können auch:

  • Semimagnetische Halbleiter
  • Schicht – Substrat Wechselwirkungen
  • Grenzflächen von Oxidschichten

Zusätzlich kann das Instrument im nicht-polarisierten Strahlmodus für die Reflektometrie und die GISANS-Untersuchungen von “weichen” Schichten an der Fest/Flüssig-Grenzfläche verwendet werden, indem geeignete Flüssigkeitszellen verwendet werden, die zur Verfügung stehen. Geeignete Systeme für solche Untersuchungen umfassen Polymerbürsten, Polyelektrolyt-Multischichten, biomimetisch gestützte Membranen, adsorbierte Proteine etc. Für typische Anwendungen mit deuterierten Lösungsmitteln liegt der zu erwartende Dynamikbereich über 7 Größenordnungen.

Probenumgebung

Optimale Probengrößen für Untersuchungen an MARIA sind 10 × 10 mm2 unter folgenden Randbedingungen:

  • Dünne magnetische Schichten bis in den sub Monolagenbereich
  • Polarisationsanalyse ist Standard
  • Optimal sind Schichtdicken 1 – 300 Å, Schichtsysteme bis – 1000 Å können ebenfalls untersucht werden.
  • Laterale Strukturen im Nanometer- bis zum Mikrometerbereich.
  • Temperaturgesteuerte Flüssigzellen für weiche Materie auf verschiedenen Substraten

Neben dem Reflektometer MARIA steht eine vollausgestattete Molecular-Beam-Epitaxy (MBE)-Anlage zur Herstellung dünner (Oxid)-Schichten für den Nutzer zur Verfügung. Hierin können Proben von typischerweise 10 × 10 mm2 Größe präpariert werden. Schichten, die folgende Elemente enthalten, können hergestellt werden: Al, Cr, Pr, Fe, La, Nb, Ag, Nd, Tb, Sr, Mn, Ti and Co.

Technische Daten

Primärstrahl

  • Neutronenleiter NL5-N: Vertikal fokussierender elliptischer Leiter
  • Monochromator: Geschwindigkeitsselektor
  • Wellenlänge:
    • 4.5 Å – 10 Å (polarisiert)
    • 4.5 Å – 40 Å (unpolarisiert)
  • Auflösung:
    • 10 % mit Geschwindigkeitsselektor
    • 1 %, 3 % Fermi Chopper
  • Doppelreflexionspolarisator
  • Horizontale Streuebene

Neutronenfluss an der Probe

  • Polarisiert 5 · 107 n cm-2 s-1 bei 3mrad Kollimation

Abstände und Winkel

  • 4100 mm Abstand S1 – S2 (Kollimation)
  • 400 mm Abstand S2 – Probe
  • 50 mm × 40 mm (w × h) max. Öffnung S2
  • 1910 mm Abstand Probe – Detektor
  • 120° maximaler Detektorwinkel
  • GISANS Option: 4 m Kollimationslänge

Zugänglicher Q-Bereich

  • Reflektometrie:
    • Qz- Bereich 0.002 Å-1 – 3.2 Å-1
    • Qx- Bereich 6 · 10-5 – 0.001 Å-1
    • αf -14° – 100°
  • GISANS Option: Qy- Bereich 0.002 Å-1 – 0.2 Å-1

Polarisationsanalyse

  • ³He Zelle

Instrumentverantwortliche

Dr. Stefan Mattauch
Telefon: +49 (0)89 289-10709
E-Mail:

Dr. Alexandros Koutsioumpas
Telefon: +49 (0)89 289-11674
E-Mail:

Dr. Sabine Pütter
Telefon: +49 (0)89 289-10742
E-Mail:

MARIA
Telefon: +49 (0)89 289-10795

Betreiber

JCNS

Publikationen

Finden Sie alle aktuellen Publikationen zu MARIA in unserer Publikationsdatenbank iMPULSE:

impulse.mlz-garching.de

Zitierung Instrument

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2015). MARIA: Magnetic reflectometer with high incident angle. Journal of large-scale research facilities, 1, A8. http://dx.doi.org/10.17815/jlsrf-1-29

Zitat bitte stets einschließlich DOI.

Bilder

MARIA
MARIA
© W. Schürmann, TUM

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