1、X 射线衍射仪在薄膜择优取向测定上的应用贺彤 1 孙伟 1 金禹 2 祁阳 2 裴剑芬 1（ 1 东北大学研究院 分析测试中心，辽宁 沈阳 110004； 2 东北大学 理学院，辽宁 沈阳 110004）摘要：本文以 MgO 单晶薄膜材料为例，说明应用 X 射线反射法测量薄膜材料面内择优取向的方法。对测量方法的原理及实验步骤等进行了详细的说明。这一方法为薄膜材料面内择优取向的测量提供了新途径。关键词：X 射线反射法；薄膜；择优取向1 引言薄膜材料作为一种功能材料正在被广泛的应用 1。对薄膜性能分析方法的研究已逐渐成为近些年科学研究的热点 2-3。在薄膜的性能研究中，其结构参数的测量特别是择优取
2、向、厚度和粗糙度等的测量至关重要。随着薄膜技术的飞速发展，半导体薄膜、铁磁介电薄膜及超导薄膜成为现代电子技术及高精科学研究仪器发展的象征。对于薄膜系统的越来越高的要求，使得原有块体的结构表征如织构、截面等一些手段不再适用于薄膜系统。所以急需发展一套适用于薄膜结构表征的一套方法。对于薄膜的择优取向测量主要有金相蚀坑术(着色)，X 射线衍射技术，电子衍射，中子衍射和电子背散射花样(Electron Back Scattering Diffraction, EBSD)技术及 TEM 衍射斑法等 4。衍射技术要比金相方法准确，无论是多晶衍射术还是薄膜衍射都富有自然的统计意义。因此，衍射方法成为择优取向
3、表征的主要手段 5-6。本文主要研究了适用于薄膜面内取向表征的 X 射线 扫描方法，这种方法是确定薄膜的空间取向及薄膜与基底界面的错配情况的有利工具。2 实验原理及方法与 X 射线衍射相同，X 射线 扫描也基于布拉格衍射方程：sin2dhkl旋转 X 射线的四圆衍射系统，使得选定的晶面发生衍射，利用晶面关于旋转轴的对称关系，即可确定薄膜的空间取向及薄膜与衬底间界面的错配关系。2.1 X 射线四圆操作图 1 是 X 射线的四圆操作几何图，其中 为高能接受器与 X 入射光的夹2角， 为样品表面与 X 入射光的夹角，如图可见 的转轴与样品的 轴重和2y合，范围为 ；转角 的转轴与样品的 轴重合（oo
4、o1802,90x） ；而 的转轴沿着样品的 轴( )。当 时，X 射o0zoo3600线进行 联动扫描即为普通的样品物相扫描，这时样品中与表面平行的晶和2面将会发生衍射，对于多晶样品，其衍射图谱将包含该相所有的衍射峰；而对于具有强择优取向或单晶的样品，则只有某一晶面族发生衍射。图 1 X 射线样品台操作几何示意图Fig. 1 the schematic picture of XRD rotation2.2 扫描原理及实验方法为了更加明确的说明 扫法确定空间取向的原理，我们以面心立方结构的MgO(001)单晶为例，首先 ，X 射线进行 联动扫描，单晶(001)MgO0和2中与表面平行的晶面将会
5、发生衍射，在以 Cu 的 K1 为 X 射线发射源的时候，衍射图中只有 的 MgO 的(002)最强衍射峰，而没有其他晶面的衍射o92.4峰，可以说明样品的表面与 MgO 晶体 面平行，样品的表面法向为晶体的)0l(001方向。而其面内的 010和100晶向并不能确定，可以绕001 方向旋转的分布，如图 2 所示。 010l2图 2 样品面内取向示意图Fig. 2 the schematic diagram of sample in-plane orientation而要确定其实际晶体的空间取向，就要另外确定其他晶向的空间取向。考虑到衍射仪自身 角的限制范围，经过查阅文献可知利用 的方法确 0
6、21定100的在 xy 面内的取向，从而确定晶体的空间取向，所以确定 MgO022晶向在空间的取向就成为待解决的问题。与确定表面的晶面指数相同，使得晶面(022)发生衍射，从而确定022晶向在空间的取向。根据实验结果及文献资料可知 MgO 的晶格常数，根据晶体学正交晶系面间距公式 7：o21.4cbaA 22hkl )cl(bk)a(1d求得 MgO 的(022)的晶面间距 ，再将其代入布拉格衍射方程得到：o02A485.1,因此，o02 36.97).7(acrsin)d(arcsin o73.852MgO(022)晶面衍射，除确定 角后，还需将 MgO(022)晶面法线旋转2和到光路的入射
7、、衍射平面内，这就需要样品台转动到特定 角。利用样品表面晶面指数和已知 MgO 面心立方晶体结构，则可确定 X 射线仪所需转动的 角。图 3 样品角旋转示意图Fig.3 the schematic diagram of sample rotation目前只能确定 MgO 的表面法向为001晶向，所以体内所有晶向都存在绕法向001旋转的圆锥面母线分布(图 3)。如 MgO 的022晶向则是顶角为 90 度的圆锥面分布(在立方晶系中001与022 晶向夹角为 45o)，如果将样品绕 X 轴旋转 (即 取 )，MgO 的022晶向分布的圆锥面将与光路的入射、衍射o45o平面相切，即在 角恰好为计算的
8、 的情况下，样品绕其表2和 oo078.439.7和面法线旋转，即 X 射线进行 扫时 MgO 的022晶向将旋转于光路的入射、衍射平面， MgO(022)晶面将发生衍射，由于 MgO(022)晶面关于001 晶向 4 次对称，所以在衍射图谱中每相隔 将出现一个衍射峰。o90图 4 为在 、 且 时 MgO(022)晶面 扫衍射图。o36.73.8572o4角为 四个位置有明锐的衍射峰，利用 的方法确定oo270,189,0 02150 10 150 20 250 30 350Phi (?0100400900160025003600Intensity(counts)图 4 MgO(022) 扫
9、描图Fig.4 the schematic of scan to MgO(022)100的在 xy 面内的取向。仔细观察，在每个峰位 的位置还存在两个对o.8称的小峰，这可能是与单晶取向差 存在着微量的小晶粒而造成的。o5.183 结语利用 X 射线 扫描方法具有统计性高，操作简便的特点。这种方法克服了由于仪器存在旋转和测量区域限制而不能对面内取向进行直接测量的缺点。X射线 扫描方法是薄膜面内择优取向测量的有效手段，值得进一步推广。参考文献1 曲喜新，杨邦朝 . 电子薄膜材料M，北京：科学出版社，1996，53-89.2 利弗森 E，叶恒强. 材料科学与技术丛书（第 2B 卷）材料的特征检测M
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