多晶体X射线衍射分析应用之五薄膜表面结构分析课件

1、多晶体X射线衍射分析的应用之五薄膜表面结构分析燕山大学材料学院综合实验室燕山大学材料学院国家实验教学示范中心第1页，共19页。常用的X射线衍射分析薄膜的方法有：1) 所形成的薄膜的层厚及均匀性(多层膜)用小角X射线散射装置进行长周期散射的位置及各峰宽的测定。2) 所形成的薄膜的层是由何种元素构成的(多层膜)用小角X射线散射装置进行长周期强度的测定。3) 所形成的薄膜层的结构测定对所测定衍射图形进行定性分析(用PDF卡片进行物相检索)。4) 所形成的薄膜层的晶体结构与距表面的距离变化的信息使用薄膜X射线衍射法，采用低掠入射角法，对逐步改变X射线入射角时所得到的衍射图形进行定性分析。第2页，共19

2、页。一、薄膜X射线的光学系统 薄膜X射线衍射法的原理是为低掠入射角法，即低的入射角法。如图所示：掠入射X射线光路图(a) 聚焦X射线 (b) 平行束X射线第3页，共19页。 对掠入射薄膜测试，一般应采用平行光束法。 进行薄膜测定时，两点注意： 1) 一定要采用低的掠入射角； 2) 当进行表面深度方向状态分析时，要提高入射X射线的平行度。第4页，共19页。二、有效穿透深度 在低掠入射角法条件下，有效X射线穿透深度表示为： tln(1It/I)sin0sin/(sin0+sin) 令 Lln(1It/I) 则 tL sin0sin/(sin0+sin) 当 0 时， sin0 sin 则 tL s

3、in0/ 式中L为实验常数，约为0.13 可见：X射线有效穿透深度(t)与入射角0、反射角，以及试样吸收性质()有关。第5页，共19页。由上式可以获得以下信息： (1) 有效X射线穿透深度随0的减小而变浅； (2) 当0很小时，有效X射线穿透深度几乎不随反射线变化，即对于不同反射线(2不同)，穿透深度近似等于常数。 于是，我们得出一个重要结论，在一定范围内改变0取值，可以控制有效X射线的穿透深度。第6页，共19页。应用实例深度分析PVD TiN在高速钢表面XRD谱第7页，共19页。 PVD TiN膜的表面分析(01.0、1.5、2.0、12.0)第8页，共19页。应用实例二取向变化 对薄膜多数

4、条件下都是存在取向的，当薄膜很薄时，很难用极图来测量，采用不同角0测量，根据不同0角时，hkl衍射线强度的变化可以判断取向的变化。第9页，共19页。Au膜/Si薄膜XRD谱第10页，共19页。三、单晶、外延膜的X射线扫描分析 X射线衍射仪的常规2 扫描只能对平行于试样表面特定晶面进行检测。而不能区别时单晶。外延膜或具有的特定取向的面织构。X射线扫描可探测与单晶或外延膜宏观表面成确定夹角的某个选定晶面。因此，它可以判定单晶材料的单晶性及外延膜的单晶性。也可以逐个检测出每层膜的某个选定晶面，故能研究各膜之间外延生长的取向关系。第11页，共19页。1、原理 在扫描中，角是入射线与被检测单晶(或外延膜

5、)某一晶面的夹角。被测晶面并非为单晶(或外延膜)的宏观表面。被检测单晶(或外延膜)某一晶面与其宏观表面(也是一特定晶面)间存在夹角。对于立方系，夹角可由下式表示：式中：h1k1l1为宏观表面的晶面参数；h2k2l2为被测晶面的晶面参数。对与其它晶系可查相关资料。第12页，共19页。 这样，入射线与试样的夹角可表示为： 即入射线与单晶(或外延膜)宏观表面间的夹角被确定。 扫描中在其试样自身平面内转动，而转动到被测晶面，该晶面与宏观表面存在特定的角度关系，则晶面可以唯一确定。第13页，共19页。2、测试方法 欲对某一外延膜进行扫描。(1) 确定角 a) 表面为特定晶面(h1k1l1)，被测晶面为(

6、h2k2l2)，根据晶面夹角公式可求出； b) 根据及晶胞参数求出d进而根据布拉格方程求出角； c) 再由公式 ，即可求出角第14页，共19页。(2) 测试a) 通过X射线衍射仪2轴的单独旋转，将探测器转动到2位置。b) 通过 轴的单独旋转使试样表面与入射X射线成角，即 轴转至角位置；c) 实施扫描，试样在其表面内缓慢匀速转动。 扫描的图谱是0360内如干个(h2k2l2)衍射峰，峰的个数取决晶体的对称性。选取晶面具有几次对称轴，就有几个均匀分布的衍射峰。峰的形状和外延膜的质量有直接的关系。第15页，共19页。3、实例 图为双外延晶界结构图。采用磁控溅射工艺制备的超导薄膜。在SrTiO3(11

7、0)基片外延生长MgO种子层。将种子层刻蚀一半保留一半，其上外延CeO2隔离层。再外延超导膜第16页，共19页。 在2为2080扫描内对基底表面进行2扫描，出现CeO2的(002)和(004)峰，说明试样表面为CeO2 (100) 晶面。 选取CeO2的(204)晶面，查的279.08,与(100)晶面的夹角26.57， 12.97。 将X射线衍射仪2轴的单独旋转，使探测器转动到79.08 位置; 通过 轴的单独旋转使轴转到12.97 ；进行扫描测试，其结果如图所示。 第17页，共19页。 SrTiO3、MgO、CeO2均为立方结构，其晶格常数分别为：0.3905、0.4213、0.5411nm。 CeO2SrTiO3外延时转向45，即CeO2110/SrTiO3100，CeO2MgOSrTiO3是同时外延的，即CeO2100/MgO100/SrTiO3100。前者见图中