1.简介

X射线多层反射镜（MLM）用于各种科学和技术领域，如太阳天文学、X射线光刻、X射线显微镜和光谱学（Martínez-Galarce等。, 2013; Chkhalo&Salashchenko，2013年; 阿克萨哈利安等。, 2017; 福格尔奎斯特等。, 2017). X射线多层镜的一个重要实际应用是同步辐射站的单色化和纳米聚焦系统（Rashchenko等。, 2020; 莫拉韦，2019年; 莫拉韦等。, 2017; 索内等。, 2011; Chkhalo、Garakhin、Malyshev等。, 2022; Mimura公司等。, 2010; 尤莫托等。, 2022; 小山等。, 2022). 在为此类应用开发反射元件时，必须考虑的一个方面是使反射镜能够拦截尽可能多的同步辐射光束。为了解决这个问题，有必要增加反射镜的尺寸或工作角度的范围，这根据布拉格条件，导致需要缩短MLM的周期。

多层镜使用的另一个方面与它们的光谱选择性有关。单色化水平为0.3–1%的光束足以解决许多X射线衍射问题（Leake等。, 2019). 在这种情况下，与单晶相比，MLM的使用将探测光束的强度增加了两个数量级。

第三个方面与最新一代同步加速器可用光子能量的增加有关。为了保持从光源收集辐射的效率，波长自动缩短需要缩短MLM的周期。

所有这些方面都使得对当前已知类型的短周期和超短周期多层镜进行新的和额外的研究成为可能。

最通用且广泛使用的短周期MLM是基于一对W/B的镜子₄C材料（Walton，1997; 温特等。, 2002; 普拉丹等。, 2018; 比比什金等。, 2005). 这些反射镜的缺点是光谱选择性不够高（～1%），并且由于W膜连续性在短于1.3 nm的时间段内损失，层间粗糙度急剧增加（Vainer等。, 2006). 因此，寻找用于合成短周期结构的替代材料对极为重要。理论计算表明，Mo/B是解决这一问题的一对很有前途的材料₄C、。

Mo/B的反射特性₄对软X射线波长范围内的C X射线多层镜进行了研究，并给出了温度高达600°C时结构热稳定性的数据（Barthemess&Bajt，2011一,b条; 朱等。, 2020; 舒维卡尼等。, 2013; 尼贝等。, 2002; Jankowski&Perry，1991年). 在同步加速器研究中，Mo/B₄C MLM已用于光子能量范围为6-15keV的X射线单色化（Liu等。, 2009). 然而，由于其相当大的周期（大于3nm），反射镜的光谱选择性低于1%。

通过缩短周期可以提高MLM的光谱选择性。然而，Mo/B₄具有超短周期的C MLM尚未得到充分研究。特别是安德列夫的工作等。(2003)应注意，其中Mo/B的反射特性₄研究了在软X射线范围内具有1.22–2.09nm超短周期的C MLM。在d日当波长为0.834nm时，反射系数为1.95%。然而，尚未研究硬X射线范围内的反射系数。此前也没有对内部结构进行过研究，了解内部结构将有可能预测此类镜子在广泛光子能量范围内的X射线光学特性。

本文介绍了对Mo/B反射特性和结构特性的系统研究结果₄周期为35到8°的C多层镜。利用实验室和同步辐射X射线反射仪的镜面反射和漫散射，测定了这些多层膜材料的电子密度分布、界面宽度和层间粗糙度。所获得的数据将有可能可靠地预测它们在广泛光子能量范围内的X射线反射系数。

2.实验方法

多层Mo/B的合成₄C结构是在Zabrodin描述的设备上通过磁控溅射实现的等。(2013). 在工艺流程开始之前，腔室中残余气体的压力为10⁻⁷ 毫巴。使用高纯度（99.998%）氩气作为工作气体，压力为9×10⁻⁴ 毫巴。磁控管由我们自己设计的稳定电流源供电。在沉积过程中，Mo的电压为296 V，B的电压为267 V₄C、 Mo的电流为200 mA，B的电流为1200 mA₄因此，膜生长速率为0.18nms⁻¹对于Mo和0.56 nm s⁻¹对于B₄C.莫比尔₄在直径为100 mm、有效粗糙度为3º的圆形Si衬底上溅射C多层镜，空间频率范围为0.025–64µm⁻¹.

使用实验室高分辨率四晶体衍射仪PANalitycal X’Pert Pro测量了波长为1.54 Au时反射和散射系数与辐射掠射角的关系。在库尔查托夫同步辐射专用源KISI-Kurchatov（Chernyshov）的相位站进行了类似测量等。, 2009; 谢宁等。, 2017). 该电站的工作辐射能量范围为3.5–50keV。该站配备了一个双晶单色仪，其能量分辨率为ΔE类/E类= 5 × 10⁻⁴.

17.59º（Fe）波长下的测量L（左）α)和9.89º（镁K（K）α)在另一个带有光栅掠入射单色仪的实验室反射计上进行了测量。比比什金给出了反射计的更多细节等。(2004).

样品的结构参数（周期、层厚、层间粗糙度、电子密度分布）是通过同时使用多配件程序（Svechnikov等。, 2017; Svechnikov，2020年).

3.使用实验室方法获得的实验结果

在实验框架内，九个Mo/B₄C MLM的合成周期为8至35℃。选择每个反射镜中的层数，使得所有样品的总厚度保持不变。在此期间，钼的比例为0.45–0.5。

在第一阶段，测量了1.54、9.89和17.59Å波长下反射系数的角度依赖性，并对所有样品的实验数据进行了拟合。在图1中带点的黑色曲线显示实验数据，红色曲线显示RS-154样本的拟合结果。以这种方式确定的所有样品的结构参数如表1所示电子密度分布如图2所示界面宽度与结构周期的关系如图3所示（两条上曲线）。应该注意的是，在我们的情况下，反射计不允许明确确定哪个接口是Mo-on-B接口₄C或B₄C-on-Mo对应于拟合得到的值。然而，根据Svechnikov等。(2018)其中，各种夹层的影响，包括B₄C、 在MLM的Mo/Be界面上进行了研究，可以假设Mo-on-B₄C接口更具扩展性。

图1 RS-154样品在波长处反射率（黑色曲线）和实验数据拟合（红色曲线）的实验测量相关性λ= 1.54 Å (一), 17.59 Å (b条)和9.89º(c（c）).

图2 根据X射线反射数据重建样品RS-151至RS-217的电子密度分布。蓝色曲线对应于结构深处的电子密度分布，并留有界面余量；绿色曲线对应于具有零界面的理想结构的情况。

图3 Moon-B的依赖性4C（带圆的红色曲线）界面宽度，B4结构周期上的C-on-Mo（带正方形的黑色曲线）界面宽度和层间粗糙度（带三角形的蓝色曲线）。

界面的形成受到几种机制的影响，其中主要是生长粗糙度和材料的相互混合，主要是由于引入高能原子（几到几十eV）的冷凝液进入薄膜的弹道效应，以及化学相互作用增强的扩散。通过改变MLM生长过程中涉及的工艺过程参数，可以影响这些机制中的一种或另一种，从而影响界面形成。因此，为了优化MLM生长过程，分离生长粗糙度和材料混合对总界面宽度的贡献非常重要。因此，使用离子抛光层的方法是有意义的（Spiller，1989)在结构粗糙度较大的情况下。相应地，在扩散过程普遍存在的情况下，有一种有效的方法可以通过使用阻挡层和优化进入衬底的冷凝液原子的能量来减少这种情况（Polkovnikov等。, 2022).

为了分离上述影响的贡献，使用了测量X射线漫反射散射曲线的方法，因为层间粗糙度是散射的原因，而由于边界处的电子密度跳跃的减小，混合仅导致散射辐射的强度的轻微减小。在该方法的框架内，在测量波长为的镜面反射曲线后λ=1.54º，我们测量得到的摇摆曲线如下：样品和探测器相对于固定辐射源旋转一个与第一个布拉格峰相对应的角度，然后在不同样品旋转角度下测量反射系数。在这种情况下，探测器的位置保持固定。这种类型的测量可以检测出在大角度范围内散射的辐射，因为对于样品上的所有辐射入射角，都满足构造干涉的条件：sinϑ_在里面+罪ϑ_供应链≃2分钟ϑ_英国，其中ϑ_在里面是样品上的掠入射角，ϑ_供应链是散射光束和样品平面之间的角度，以及ϑ_英国是布拉格角。所有样品的测量漫散射曲线及其拟合如图4所示.

图4 RS-151至RS-213结构的实验（黑色）和拟合（红色）漫反射散射曲线。

选择了线性增长模型（Asadchikov等。, 2001; 巴斯，1995)计算边界的粗糙度，其中界面的功率谱密度（PSD）函数部分继承了之前的函数，部分替换为增长模型（Stearns，1993),

其中PSD_附属的(ν)对应于基板exp[−b条(ν)小时]是遗传因子，Ω是沉积粒子（原子、分子或簇）的体积，小时是薄膜厚度和b条(ν)是表面松弛的函数，用空间频率的幂次多项式表示：b条(ν) =ABC模型（Bass，1995)选择作为描述衬底PSD功能的模型。在这种情况下，衬底的PSD函数由以下公式描述

哪里σ是总RMS基板粗糙度高度，α是分形维数，确定频谱衰减到高频区域的速率，以及ξ是交叉（横向，沿层）相关长度。纵向相关性（垂直于层的方向）L（左）根据表面松弛函数计算得出：L（左）=b条(ν)⁻¹.

通过对给定空间频率范围内的PSD函数进行积分，获得了层的粗糙度值，该范围由条件2确定πν=k个（科斯ϑ₀−余弦ϑ)，其中ν是空间频率值，ϑ₀是与镜面反射相对应的角度，ϑ是散射角和k个是波矢量。选择靠近布拉格峰的散射角值来获得积分的下边界，而选择与最大散射角对应的值来获得上边界。表2显示了Mo/B粗糙度的统计特性₄从漫散射数据重建的C MLM。

在图3中用三角形标记的曲线显示了粗糙度对MLM周期的依赖性，这是在分析漫反射和镜面反射时获得的。尽管实验数据在样本之间存在明显的分散性，这很可能是由于求解逆问题时的错误造成的，但是，可以得出关于结构参数及其随Mo/B周期的减少而变化的某些结论₄C MLM。可以认为Moon-B的平均界面宽度₄C边界为～3.5º，B边界为₄C-on-Mo边界为～2.2°。层间粗糙度为～1°。观察到界面宽度和层间粗糙度随周期减小而微弱增长。粗糙度横向相关性的长度由基底的特性决定，在10µm以内。纵向相关长度的值为几十纳米。

影响多层反射镜（尤其是短周期反射镜）反射特性恶化的另一个因素是周期随增长而漂移。在我们的案例中，这大约是1%。表1的最后两列显示了在周期内没有任何变化的情况下对应的反射系数和光谱选择性的计算值。从表中可以看出，周期漂移强烈限制了实验反射系数和光谱选择性。在1.54º的波长下，Mo/B₄C MLM在18º周期（零周期漂移）下提供50%的反射率和0.4%的光谱选择性。与W/B相比₄反射系数相似的C镜，Mo/B的光谱选择性₄C MLM几乎高出两倍。反射系数也随着光子能量的增加而增加。

在所进行研究的框架内，真空退火对合成Mo/B反射特性的影响₄还研究了C结构。镜子在150至300°C的温度下退火一小时。退火前后反射系数随辐射入射角变化的测量结果表明，热暴露条件下结构的反射特性没有退化，这表明其热稳定性。样品RS-151的此类分析示例如图5所示.

图5 Mo/B的角度依赖性4C在300°C温度下，波长为1.54º时，退火前（带点的黑色曲线）和退火后（红色曲线）1 h RS-151结构的反射率(一), 17.59 Å (b条)和9.89º(c（c）).

4.使用同步辐射获得的实验结果

由于较大动态范围属于X射线强度在同步加速器上，为了完善实验室方法获得的结果，在KISI同步加速器上对几个样品进行了研究。图6显示了反射系数的角度依赖性的实验曲线的比较(一)和漫散射(b条)在实验室和同步加速器测量RS-151样品的框架内获得。

图6 反射系数角度相关性的实验测量(一)和漫散射(b条)在实验室框架内进行了（红曲线）和同步加速器（带点黑曲线）的研究。

从所提供的数据中，我们可以得出结论，同步加速器和实验室测量结果吻合良好，这证实了它们的可靠性。图7显示了反射系数的测量结果(一)和漫反射散射(b条)对于RS-217样品，在同步加速器上进行，并对实验数据进行拟合。

图7 反射系数角相关性的实验测量(一)和漫散射(b条)在同步加速器研究的框架内进行。带正方形的黑色曲线对应于实验数据，红色曲线对应于它们的拟合。

扩散散射的实验曲线和拟合曲线之间的微小差异可以用以下事实来解释：该拟合指的是周期极短的样品，即8º。对于这种结构，空间不均匀性（单个簇和微晶）可能对散射有很大贡献，而我们的模型只考虑了界面的散射，没有考虑到这些不均匀性。这些效应是在多层W/Si镜中观察到的，Chkhalo、Garakhin、Kumar认为等。(2022).

5.结论

在研究框架内，Mo/B的反射和结构特征₄研究了周期为8到35°C的多层反射镜。研究的主要结果如下。

首先，所有结构的层间粗糙度值几乎保持不变σ≃1º，周期值约为10º时，略有增加趋势。层间粗糙度的这种行为表明保持了这种超薄薄膜的连续性，并且在Cr/Be MLM（Pleshkov等。, 2021). 在这项工作中，这种效应是由超薄层中铬铍的形成来解释的。显然，在我们的案例中也形成了硼化钼薄膜。

第二，界面宽度的主要贡献是边界处薄膜材料的混合。同时，Moon-B₄C边界是最模糊的。界面宽度在3到4º之间变化，周期从35º减少到8º。

第三，粗糙度横向相关性的长度由基底的特性决定，在10µm以内。纵向相关长度的值处于几十纳米的水平。

第四，Mo/B的反射系数和光谱选择性₄本工作中研究的C MLM受到样本深度上的周期漂移的限制。在我们的情况下，漂移值为1%。在没有周期漂移的情况下，波长1.54º的反射系数约为50%，在18º的周期内实现0.4%的光谱选择性。一般来说，Mo/B₄C MLM显著优于W/B₄C镜在光谱选择性方面具有可比反射率。此外，Mo/B中的界面没有退化₄周期不超过10º的C结构。

第五，真空退火至300°C期间的热稳定性研究表明，短周期Mo/B反射特性的高稳定性₄之前在长周期样品中观察到的C镜（Shaposhnikov等。, 2023).

第六，在实验室设备上进行的测量结果的比较表明，与在KISI同步加速器上进行的测试结果非常一致。这一事实表明，我们为研究反射特性和内部结构（包括超短周期多层镜的反射特性和结构）开发的实验室方法是充分的。因此，根据所进行的研究，可以得出以下结论：短期Mo/B₄多层C反射镜在同步加速器应用中极具前景。