11B4 C掺杂Fe/Si多层膜中自旋翻转反射率降低及其对中子超镜技术的革新

为解决Fe/Si多层膜在中子极化光学中存在的界面粗糙度、自旋翻转散射和内部应力等问题，研究人员通过引入11B4 C共溅射技术，系统研究了其对多层膜结构和光学性能的影响。结果表明，11B4 C显著提高了界面锐度、降低了应力，并抑制了自旋翻转事件，为下一代高性能中子极化器开发提供了关键材料基础。

　　

中子散射技术是研究材料磁性和结构的核心手段，但其信号强度受限于中子光学元件的效率。当前Fe/Si多层膜作为极化中子光学元件存在三大瓶颈：界面粗糙导致反射率降低、磁畴引发自旋翻转散射（spin-flip），以及周期数增加引发的内部应力累积。这些问题严重制约了中子超镜（supermirror）的m值（临界角倍数）提升，使得现有极化器仅能达到m=5.5水平。

为突破这些限制，来自瑞典的研究团队在《Materials Today Advances》发表研究，创新性地将硼碳化物（11B₄
C）引入Fe/Si多层膜体系。通过离子辅助磁控溅射技术制备了含150-25?渐变周期的堆叠多层膜，结合X射线反射（XRR）、四态极化中子反射（four-state PNR）和晶圆曲率测量等技术，系统评估了11B₄
C对材料性能的影响。

3. 结果与讨论
结构表征：X射线衍射证实11B₄
C使铁层非晶化，晶圆曲率测量显示内部应力从-658 MPa降至-348 MPa，降幅达50%。这种非晶化效应消除了晶格失配应力，为制备更厚多层膜奠定基础。

界面优化：XRR分析显示11B₄
C使Fe-on-Si界面宽度减半，在Q=0.26?^-1
（对应m=12）处仍可观测到布拉格峰，而纯Fe/Si样品在Q>0.12?^-1
时信号已消失。

自旋调控：四态PNR测量揭示11B₄
C样品在5mT弱场下的自旋翻转事件比纯Fe/Si样品在500mT强场下减少82-91%。振动样品磁强计（VSM）证实其饱和磁场从600mT降至1mT，表明11B₄
C彻底抑制了铁层间的反铁磁耦合。

4. 结论
该研究首次证实11B₄
C可通过三重机制提升中子光学性能：非晶化铁层消除磁各向异性、锐化界面提升反射率、降低应力允许更多周期堆叠。这种"一材多效"特性使Fe/Si+11B₄
C多层膜的反射范围扩展至m=12，且仅需5mT外场即可实现99%极化率，比传统Fe/Si所需场强降低两个数量级。这项突破为建造更紧凑、更高效的中子散射装置提供了关键材料解决方案，将推动量子材料、自旋电子学等领域的研究进展。