XRD應用介紹 | 掠入射X射線(xiàn)衍射

薄膜材料就是厚度介于一個(gè)納米到幾個(gè)微米之間的單層或者多層材料。由于厚度比較薄，薄膜材通常依附于一定的襯底材料之上。常規XRD測試，X射線(xiàn)的穿透深度一般在幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，這遠遠大于薄膜的厚度，導致薄膜的信號會(huì )受到襯底的影響（圖1）。另外，隨著(zhù)衍射角度的增加，X射線(xiàn)在樣品上的照射面積逐漸減小，X射線(xiàn)只能輻射到部分樣品，無(wú)法利用整個(gè)樣品的體積，衍射信號弱。薄膜掠入射衍射（GID：Grazing Incidence X-RayDiffffraction）很好的解絕了以上問(wèn)題。所謂掠入射是指使X射線(xiàn)以非常小的入射角（＜5°）照射到薄膜上，小的入射角較大減小了在薄膜中的穿透深度 。同時(shí)低入射角較大增加了X射線(xiàn)在樣品上的照射面積，增加了樣品參與衍射的體積。這里有兩點(diǎn)說(shuō)明：GID需要專(zhuān)門(mén)的硬件配置；常規GID只適合多晶薄膜和非晶薄膜，不適合單晶外延膜。本文介紹了GID在薄膜結構分析中的作用，文中GID數據是在布魯克D8 ADVANCE X射線(xiàn)衍射儀上完成的。 

實(shí)例一 單層薄膜GID測試

本例中樣品是在（100）單晶硅襯底上制備的14nm RuO2多晶薄膜。如圖1所以，常規XRD圖譜中薄膜樣品的信號被Si單晶的信號掩蓋。放大圖雖然能看到薄膜衍射峰，但信號非常弱。圖2中給出了入射角0.3度時(shí)，樣品的GID圖譜。圖中沒(méi)有Si單晶襯底的信號，且薄膜信號明顯。利用全譜擬合得到了薄膜的晶胞參數、晶粒大小以及微觀(guān)應變。

 

圖1 RuO2薄膜常規XRD測試圖譜。

左圖：?jiǎn)尉Ч枰r底的很強信號；

右下圖：RuO2薄膜的微弱信號；右上圖：RuO2薄膜結構示意圖。

圖2 藍色實(shí)線(xiàn)：RuO2薄膜掠入射衍射圖譜，入射角ω=0.3°。紅色實(shí)線(xiàn)：全譜擬合計算圖譜，得到結構參數在右上角。

實(shí)例二 多層薄膜GID測試

當樣品為多層薄膜時(shí)，通過(guò)設置不同的入射角度，進(jìn)而控制X射線(xiàn)在薄膜中的穿透深度，GID可以被用來(lái)確定薄膜材料的結構隨深度變化的信息。本例中的樣品為45nm NiO/355nm SnO2/玻璃 。

圖3 左圖：不同入射角時(shí)，薄膜的GID圖譜。右圖：薄膜結構示意圖及掠入射角度。

當以低角度omega=0.3°入射時(shí)，看到薄膜上層的立方NiO。當入射角omega=0.5°時(shí)，有四方SnO2的衍射峰出現，隨著(zhù)入射角進(jìn)一步增加，SnO2的信號逐漸加強，說(shuō)明有更多的X射線(xiàn)照射到SnO2薄膜上。同時(shí)，兩物相衍射峰的相對強度與卡片對比（左圖）可以知道，NiO和SnO2均有一定程度的取向。其中SnO2的強度差別更大，說(shuō)明取向更強。