ＸＲＤ技術(shù)簡(jiǎn)介與其在薄膜研究中的應(yīng)用

【摘要】本文重點(diǎn)介紹了XRD技術(shù)的基本原理以及目前的應(yīng)用情況，尤其在金屬和薄膜領(lǐng)域。簡(jiǎn)明介紹了薄膜技術(shù)的知識(shí)和一些最新的技術(shù)，以及應(yīng)用XRD技術(shù)對(duì)薄膜研究的一些促進(jìn)作用。簡(jiǎn)單介紹應(yīng)用XRD技術(shù)對(duì)薄膜相關(guān)參量和數(shù)據(jù)的測(cè)試方法以及在過程中應(yīng)該注意的問題。

【關(guān)鍵詞】 XRD；薄膜技術(shù)；薄膜檢測(cè)

【中圖分類號(hào)】O434.1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1005-1074(2009)02-0188-01

1X射線衍射原理及應(yīng)用介紹

X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快用于研究晶體的結(jié)構(gòu)，如韋斯特倫（A。Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新的相，而鐵中的α→γ轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果，如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究；對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。目前X射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。主要應(yīng)用有以下方面：物相分析（分定性分析和定量分析）；精密測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)（常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的測(cè)定）；取向分析（包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)）；晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定；宏觀應(yīng)力的測(cè)定；對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究（包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究）；合金相變（包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等）；結(jié)構(gòu)分析；液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬；特殊狀態(tài)下的分析（在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析）；此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區(qū)的形狀和大小；X射線形貌術(shù)用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯(cuò)線等，也得到了重視

2薄膜技術(shù)介紹

與薄膜制備、測(cè)試等相關(guān)的各種技術(shù)的總稱。薄膜是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，由于其在厚度這一特定方向上尺寸很小，只是微觀可測(cè)的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質(zhì)連續(xù)性發(fā)生中斷，由此使得薄膜材料產(chǎn)生了與塊狀材料不同的獨(dú)特性能。薄膜技術(shù)涉及的范圍很廣，它包括以物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積為代表的成膜技術(shù)，以離子束刻蝕為代表的微細(xì)加工技術(shù)，成膜、刻蝕過程的監(jiān)控技術(shù)，薄膜分析、評(píng)價(jià)與檢測(cè)技術(shù)等等。現(xiàn)在薄膜技術(shù)在電子元器件、集成光學(xué)、電子技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)以及航天技術(shù)和光學(xué)儀器等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它們不僅成為一間獨(dú)立的應(yīng)用技術(shù)，而且成為材料表面改性和提高某些工藝水平的重要手段。

現(xiàn)代鍍膜技術(shù)，以真空鍍膜應(yīng)用最為廣泛，但真空鍍膜，要求鍍膜環(huán)境接近真空，在實(shí)現(xiàn)薄膜制備前，先需要很大的力量來維持條件。其他的制膜技術(shù)有射頻磁電管反應(yīng)濺射法，高溫分解噴射法，化學(xué)蒸餾，氣相沉淀，脈沖激光沉淀，凝膠成形法。

3XRD技術(shù)在薄膜技術(shù)中的應(yīng)用

3.1薄膜中結(jié)晶相的晶粒度大小分析原理

由薄膜衍射峰的半峰寬：Wδ=AH(1)

A為衍射峰的積分面積;H為衍射峰的實(shí)際高度。利用謝樂公式求出晶粒度大小：W=K*λ(Wδ-Ws)*cosθ(2)

K為峰的形狀因子取0.9;λ為X射線的波長(zhǎng)；Ws為儀器寬化即標(biāo)準(zhǔn)化寬度，θ為衍射峰的衍射角

3.2薄膜厚度、粗糙度、吸收系數(shù)折射率的分析原理

根據(jù)X射線在晶體中會(huì)產(chǎn)生折射效應(yīng)，所以在低角度測(cè)試薄膜周期性衍射圖進(jìn)行薄膜厚度計(jì)算時(shí)要考慮到 X射線的折射效應(yīng)，故此應(yīng)把 Bragg公式修正為 :

mλ=2d(1-1-n_sin2θ)(3)

其中: m為衍射級(jí)次;為X射線的波長(zhǎng); d為周期厚度、θ為相應(yīng)級(jí)次的衍射角，n_為周期內(nèi)兩種材料折射率的平均值。將上式稍作變化:

mλ/2=d-d(1-n_)coc2θ(4)

從測(cè)得衍射峰級(jí)次m與相應(yīng)的衍射角位置θ值，用最小二乘法做線性擬合可精確求得薄膜厚度d。

低角度X射線衍射其強(qiáng)度與膜材料的X射線吸收系數(shù)即材料的元素組成與化合物的密度有關(guān)，膜與載體界面的粗糙度也有關(guān)，界面越粗糙，衍射強(qiáng)度越弱，反之越強(qiáng)。所以利WinGixa薄膜分析軟件進(jìn)行薄膜厚度、粗糙度、吸收系數(shù)及折射率的分析時(shí)，要綜合考慮以上因素進(jìn)行周期性曲線擬合，其具體操作步驟:①首先:在軟件內(nèi)定義低角度周期性衍射曲線的測(cè)試條件，保證模擬計(jì)算條件與測(cè)試條件一致。②根據(jù)膜的物相成分定義膜成分模型，然后進(jìn)行初步模擬曲線計(jì)算。③導(dǎo)入實(shí)測(cè)周期衍射曲線，并開始擬合。在擬合過程中逐一調(diào)整各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最后達(dá)到最佳擬合效果。

④擬合完畢后，讀取各相應(yīng)參數(shù)值包括:膜厚度d，膜密度，膜粗糙度，膜折射率等。

薄膜界面殘余應(yīng)力由兩部分組成：由于基體與薄膜熱膨脹系數(shù)差異，使薄膜從高溫冷卻到室溫時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力；非熱影響產(chǎn)生的本征應(yīng)力(或內(nèi)應(yīng)力)。

由于薄膜殘余應(yīng)力存在，加速了薄應(yīng)力作用使晶面間距發(fā)生變化，相應(yīng)的衍射峰也將產(chǎn)生位移(圖3(b))，以測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是殘余應(yīng)變，而殘余應(yīng)力是通過虎克定律由殘余應(yīng)變計(jì)算得到的。由彈性力學(xué)與X射線衍射理論可以推出殘余應(yīng)力：

σf=-E2(1+y)1tanθ0π180(2θ)(sin2ψ)-K(2θ)(sin2ψ)(5)

式中E為彈性模量；γ為泊松比；θ為材料無應(yīng)力狀態(tài)時(shí)特定晶面衍射角；θ為與入射線成Ψ角的晶面衍射角；K為 sin2Ψ法中X射線應(yīng)力常數(shù)；Ψ為試樣表面法線與衍射晶面法線夾角。

4參考文獻(xiàn)

[1]許順生.金屬X射線學(xué)[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社.上海.1962.

[2]王華馥，吳自勤.固體物理實(shí)驗(yàn)方法[M].高等教育出版社1990，1.

[3]王浩，廖常俊，范廣涵.X射線雙晶衍射技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].大學(xué)物理；20(7).2001.7

[4]吳建鵬，曹麗云，張國(guó)運(yùn)，黃劍鋒，羊俊. XRD物相定量分析外標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)的建立[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2006，25(4):95-97.

[5]蕭迅. 表面宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000(1 ):45-48.

[6]S.Pereira， M. R. Correia and E. Pereira， K. P. O’Donnell， E. Alves， A. D. Sequeira， N. Franco .Interpretation of double x-ray diffraction peaks from InGaN layers[J]. APPLIED PHYSICS LETTERS. 79( 10). 2001，9，3

[7]彭觀良，楊建坤，蘭勇，常勝利楊俊才.擇優(yōu)取向?qū)射線衍射積分強(qiáng)度的影響[J].大學(xué)物理試驗(yàn).2007， 3.

[8]G. He， J.H. Cai ，G.Ni . ZnO thin films prepared by a modified water-based Pechini method[J]. Materials Chemistry and Physics ，2008(110 ):110–114.

[9]潘曉民，謝有暢.X射線相定量法測(cè)單層分散閾值[J].大學(xué)化學(xué)，16(3).2001，6.

[10]黃清明，俞建長(zhǎng)，吳萬國(guó).薄膜鍍層的XRD分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，32(6).2004，12.

[11]孔德軍，張永康，魯金忠，馮愛新，任旭東，葛濤.基于XRD的薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].中國(guó)表面工程.20( 1).2007，2.