多晶體X射線衍射分析應(yīng)用之五薄膜表面結(jié)構(gòu)分析課件

1、多晶體X射線衍射分析的應(yīng)用之五薄膜表面結(jié)構(gòu)分析燕山大學(xué)材料學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)室燕山大學(xué)材料學(xué)院國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心第1頁，共19頁。常用的X射線衍射分析薄膜的方法有：1) 所形成的薄膜的層厚及均勻性(多層膜)用小角X射線散射裝置進(jìn)行長周期散射的位置及各峰寬的測定。2) 所形成的薄膜的層是由何種元素構(gòu)成的(多層膜)用小角X射線散射裝置進(jìn)行長周期強(qiáng)度的測定。3) 所形成的薄膜層的結(jié)構(gòu)測定對所測定衍射圖形進(jìn)行定性分析(用PDF卡片進(jìn)行物相檢索)。4) 所形成的薄膜層的晶體結(jié)構(gòu)與距表面的距離變化的信息使用薄膜X射線衍射法，采用低掠入射角法，對逐步改變X射線入射角時(shí)所得到的衍射圖形進(jìn)行定性分析。第2頁，共19

2、頁。一、薄膜X射線的光學(xué)系統(tǒng) 薄膜X射線衍射法的原理是為低掠入射角法，即低的入射角法。如圖所示：掠入射X射線光路圖(a) 聚焦X射線 (b) 平行束X射線第3頁，共19頁。 對掠入射薄膜測試，一般應(yīng)采用平行光束法。 進(jìn)行薄膜測定時(shí)，兩點(diǎn)注意： 1) 一定要采用低的掠入射角； 2) 當(dāng)進(jìn)行表面深度方向狀態(tài)分析時(shí)，要提高入射X射線的平行度。第4頁，共19頁。二、有效穿透深度 在低掠入射角法條件下，有效X射線穿透深度表示為： tln(1It/I)sin0sin/(sin0+sin) 令 Lln(1It/I) 則 tL sin0sin/(sin0+sin) 當(dāng) 0 時(shí)， sin0 sin 則 tL s

3、in0/ 式中L為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，約為0.13 可見：X射線有效穿透深度(t)與入射角0、反射角，以及試樣吸收性質(zhì)()有關(guān)。第5頁，共19頁。由上式可以獲得以下信息： (1) 有效X射線穿透深度隨0的減小而變淺； (2) 當(dāng)0很小時(shí)，有效X射線穿透深度幾乎不隨反射線變化，即對于不同反射線(2不同)，穿透深度近似等于常數(shù)。 于是，我們得出一個(gè)重要結(jié)論，在一定范圍內(nèi)改變0取值，可以控制有效X射線的穿透深度。第6頁，共19頁。應(yīng)用實(shí)例深度分析PVD TiN在高速鋼表面XRD譜第7頁，共19頁。 PVD TiN膜的表面分析(01.0、1.5、2.0、12.0)第8頁，共19頁。應(yīng)用實(shí)例二取向變化 對薄膜多數(shù)

4、條件下都是存在取向的，當(dāng)薄膜很薄時(shí)，很難用極圖來測量，采用不同角0測量，根據(jù)不同0角時(shí)，hkl衍射線強(qiáng)度的變化可以判斷取向的變化。第9頁，共19頁。Au膜/Si薄膜XRD譜第10頁，共19頁。三、單晶、外延膜的X射線掃描分析 X射線衍射儀的常規(guī)2 掃描只能對平行于試樣表面特定晶面進(jìn)行檢測。而不能區(qū)別時(shí)單晶。外延膜或具有的特定取向的面織構(gòu)。X射線掃描可探測與單晶或外延膜宏觀表面成確定夾角的某個(gè)選定晶面。因此，它可以判定單晶材料的單晶性及外延膜的單晶性。也可以逐個(gè)檢測出每層膜的某個(gè)選定晶面，故能研究各膜之間外延生長的取向關(guān)系。第11頁，共19頁。1、原理 在掃描中，角是入射線與被檢測單晶(或外延膜

5、)某一晶面的夾角。被測晶面并非為單晶(或外延膜)的宏觀表面。被檢測單晶(或外延膜)某一晶面與其宏觀表面(也是一特定晶面)間存在夾角。對于立方系，夾角可由下式表示：式中：h1k1l1為宏觀表面的晶面參數(shù)；h2k2l2為被測晶面的晶面參數(shù)。對與其它晶系可查相關(guān)資料。第12頁，共19頁。 這樣，入射線與試樣的夾角可表示為： 即入射線與單晶(或外延膜)宏觀表面間的夾角被確定。 掃描中在其試樣自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)動到被測晶面，該晶面與宏觀表面存在特定的角度關(guān)系，則晶面可以唯一確定。第13頁，共19頁。2、測試方法 欲對某一外延膜進(jìn)行掃描。(1) 確定角 a) 表面為特定晶面(h1k1l1)，被測晶面為(

6、h2k2l2)，根據(jù)晶面夾角公式可求出； b) 根據(jù)及晶胞參數(shù)求出d進(jìn)而根據(jù)布拉格方程求出角； c) 再由公式 ，即可求出角第14頁，共19頁。(2) 測試a) 通過X射線衍射儀2軸的單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，將探測器轉(zhuǎn)動到2位置。b) 通過 軸的單獨(dú)旋轉(zhuǎn)使試樣表面與入射X射線成角，即 軸轉(zhuǎn)至角位置；c) 實(shí)施掃描，試樣在其表面內(nèi)緩慢勻速轉(zhuǎn)動。 掃描的圖譜是0360內(nèi)如干個(gè)(h2k2l2)衍射峰，峰的個(gè)數(shù)取決晶體的對稱性。選取晶面具有幾次對稱軸，就有幾個(gè)均勻分布的衍射峰。峰的形狀和外延膜的質(zhì)量有直接的關(guān)系。第15頁，共19頁。3、實(shí)例 圖為雙外延晶界結(jié)構(gòu)圖。采用磁控濺射工藝制備的超導(dǎo)薄膜。在SrTiO3(11

7、0)基片外延生長MgO種子層。將種子層刻蝕一半保留一半，其上外延CeO2隔離層。再外延超導(dǎo)膜第16頁，共19頁。 在2為2080掃描內(nèi)對基底表面進(jìn)行2掃描，出現(xiàn)CeO2的(002)和(004)峰，說明試樣表面為CeO2 (100) 晶面。 選取CeO2的(204)晶面，查的279.08,與(100)晶面的夾角26.57， 12.97。 將X射線衍射儀2軸的單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，使探測器轉(zhuǎn)動到79.08 位置; 通過 軸的單獨(dú)旋轉(zhuǎn)使軸轉(zhuǎn)到12.97 ；進(jìn)行掃描測試，其結(jié)果如圖所示。 第17頁，共19頁。 SrTiO3、MgO、CeO2均為立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)分別為：0.3905、0.4213、0.5411nm。 CeO2SrTiO3外延時(shí)轉(zhuǎn)向45，即CeO2110/SrTiO3100，CeO2MgOSrTiO3是同時(shí)外延的，即CeO2100/MgO100/SrTiO3100。前者見圖中