Pokročilé aplikace rentgenové reflektivity a metody analýzy dat

Bc. Karolína Pěčková

Master's thesis

Advanced applications of X-ray reflectivity and data analysis methods

Abstract:

V této diplomové práci se zaměřujeme na metodologii, efektivitu měření a vyhodnocování experimentálních dat zrcadlového odrazu rentgenového záření. Dále na efektivitu fitování rentgenové reflektivity. V rámci práce byla provedena charakterizace difraktometru Rigaku Smartlab od Rigaku Ltd. lokalizovaného na Ústavu fyziky kondenzovaných látek na Masarykově univerzitě. Byly určeny parametry profilu svazku a úhlové rozlišovací funkce, jež by měly sloužit jako vhodný základ pro simulace a fitování experimentálních dat. Pro výpočet reflektivity byl využit Parrattův algoritmus, drsnost rozhraní byla implementována pomocí Névotova-Croceho factoru. Fitování experimentálních dat bylo implementováno pomocí knihovny iFit v programovacím jazyku Matlab (R), umožňující použití celé řady minimalizačních algoritmů. Byla porovnávána efektivita několika algoritmů (algoritmů Levenbergova-Marquardtova a Powellova, Nelderova-Meadova simplexu, simulovaného žíhání, shuffled complex evolution a genetického algoritmu) a v závislosti na těchto výsledcích byla vybrána vhodná kombinace algoritmů pro další využití. Na základě uvedené metodologie byly měřeny a analyzovány vzorky tenkých kovových vrstev i vrstev organických molekul. Byl vytvořen vhodný model pro fitování uspořádaných vrstev tvořených podlouhlými organickými molekulami zohledňující vnitřní strukturu těchto molekul. Dodatečně byla dopočtena celková drsnost organických vzorků a výsledky byly porovnány s měřením na mikroskopu atomových sil.

Abstract:

This diploma thesis focuses on a methodology and efficiency of X-ray specular reflectivity measurement and experimental data evaluation and on a X-ray reflectivity fitting. The in-house diffractometer set-up (Rigaku Smartlab by Rigaku Ltd. at Masaryk University, Department of Condensed Matter Physics) was characterised - beam characteristic and angular resolution function were determined in order to set solid ground for experimental data simulations and fitting. The Parratt algorithm modified by the Névot-Croce roughness factor was implemented to calculate the reflected intensity based on a ample model. The experimental data fitting procedure was implemented using iFit library based on Matlab (R) programming language, which allowed to use various minimization algorithms. The efficiency of several optimization algorithms including Levenberg-Marquardt, Powell, Nelder-Mead simplex, simulated annealing, shuffled complex evolution and genetic algorithm was compared and optimal fitting algorithms were recommended. Based on the introduced optimization methodology, thin films of both metal and organic molecules were measured and analysed. A suitable model for fitting of films of ordered layers of rod-like organic molecules involving the information of the inner structure on the studied molecule was developed. Additionally, the overall roughness of the organic layers was calculated and compared with the results obtained from the atomic force microscopy measurement.

Keywords

rtg reflektivita, metodologie optimalizace, metodologie experimentu, iFit, geometrické korekce, multivrstevnaté systémy, AFM, X-ray reflectivity, optimalization metodology, experiment metodology, geometrical corrections, multilayer systems

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 8. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 9. 9. 2020
• Supervisor: Mgr. Jiří Novák, Ph.D.
• Reader: Mgr. Mojmír Meduňa, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Condensed Matter Physics