XRD在薄膜材料研究中应用

XRD在薄膜材料研究中应用报告人：胡右典制作人：刘云皓资料收集：张亚杰靳宇徐衡21||薄膜材料简介XRD在薄膜材料中的应用薄膜材料不仅具有优越的力学、热学等性能，而且还具有光电、压电、磁性等特定功能，并且成本较低，所以广泛应用于生产和生活中。按其性能和实际用途划分，可分为结构薄膜材料和功能薄膜材料。薄膜材料薄膜材料结构薄膜结构薄膜材料在材料应用中非常重要，它可以提高材料的力学性能、减轻材料的质量、减少成本等。其主要有高温合金薄膜、陶瓷薄膜、准晶薄膜等。其中高温合金薄膜主要应用于汽轮机及航天发动机的涡轮叶片的涂层;陶瓷薄膜主要用作大容量的薄膜电容器、超导体、固/液分离膜等;准晶薄膜由于具有高硬度、低摩擦因数、低热导率、低电导率、抗氧化、耐腐蚀及特殊的光学性能而被应用于不粘锅涂层、热障和热防护涂层、太阳能选择吸收器等方面。功能薄膜功能薄膜材料是广泛应用于国民经济、军事工业等领域的基础材料，具有重要的应用和基础研究价值。主要有光学薄膜、电极薄膜、磁性薄膜等。其中，光学薄膜主要用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器，如反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜等;电极薄膜主要应用于太阳能电池及透明导电氧化物(TCO)薄膜;磁性薄膜一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料，按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。磁膜材料广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等;也用作磁记录薄膜介质、薄膜磁头和磁光记录盘等。薄膜材料XRD在薄膜材料中的应用晶格参数、应力、应变和位错密度是薄膜材料的几个重要的物理量，X射线衍射(XRD)为此提供了便捷而无损的检测手段。1.晶格参数的测量测量晶格参数通常分为相对测量和绝对测量两种方式。相对测量相对测量就是以衬底为标准,认为衬底不发生形变,然后进行ω-2θ测量并以已知数据库中衬底的衍射峰位置进行定标,从而得到外延膜的2θ值,这样,由布拉格公式2d=nλsinθ可得到相应晶面间的距离,故选择一定的晶面,就可以得到所需的晶格参数。对如六方晶系的(100)、(200)这些晶面进行衍射时,ω-2θ不能够有效地测出这些晶面的晶格常数,而面内掠入射(GIXD)能很好地解决该问题。可以直接得到薄膜和衬底的(以六方晶系为例)如(220)等面的布拉格角,从而可以直接计算面内晶格参数,避免先对(112)面ω-2θ扫描求出(112)平行晶面间的距离,再通过三角关系间接求出面内晶格参数。1.晶格参数的测量绝对测量晶格参数时,要以晶体自身来定标。传统的方法主要有两种:同一晶面的不同级数方法和Bond方法。这两种方法的关键都在于测量布拉格衍射角θB。前者利用布拉格公式得到绝对测量其中:λ表示X射线的波长;ni表示衍射级数,而ωni为各级衍射的布拉格角,由此求得零点误差Δθ0,并进一步计算。Bond方法核心是将探测器定在两个合适的不同角度,利用样品同一晶面的ω扫描消除零点误差。从而得到实际情况下的布拉格角,其中ω1、ω2为两次测量值。2.应力和应变的测量由于外延层和衬底的晶格参数和热膨胀系数不同,在外延层中必然会受到晶格失配应力和热失配应力的作用而发生晶格应变———弹性应变和塑性应变,这些应变正是半导体薄膜中位错产生的根源。XRD在测量应力和应变方面也应用广泛,而此时的测量涉及到材料晶格常数的测定晶体内某一方向的应变可表示为𝜀=(𝑎−𝑎0)𝑎0,其中a为该方向的晶格参数,a0为无应变时的晶格参数。应力与应变可以通过切变模量、弹性系数、弹性模量和泊松比联系起来,只是对于不同晶系相应有不同的公式。3.位错密度的测量对于半导体晶体薄膜位错的描述,一般采用Mosaic模型（如图）,包括水平关联长度、垂直关联长度、扭转角度和倾转角度四个变量,而螺位错和刃位错两种主要位错的密度都可用这四个变量得到。螺位错密度为𝑁𝑠𝑐𝑟𝑒𝑤=𝛼𝑡𝑖𝑙𝑡24.35×𝑏𝑐2刃位错密度（刃位错在晶体中的随机分布）为𝑁edge=𝛼𝑡𝑤𝑖𝑠𝑡24.35×𝑏𝑐23.位错密度的测量刃位错密度（刃位错只分布在镶嵌结构颗粒的边缘）为𝑁edge=𝛼𝑡𝑤𝑖𝑠𝑡22.1×b𝑐×𝐿∥其中bc为位错的伯氏常量,L∥为水平关联长度,αtilt为倾斜角,αtwist为倾转角。所以,利用XRD技术对位错密度进行研究,转化为如何分析和求得这四个物理量。4.薄膜厚度的测量此外，还可以用XRD测量薄膜的厚度。