XRD應用介紹 | 掠入射X射線衍射

薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)材(cai)料(liao)就是厚度(du)(du)介(jie)于一個(ge)納米(mi)到幾個(ge)微(wei)米(mi)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單層(ceng)(ceng)或者多層(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)。由于厚度(du)(du)比較(jiao)(jiao)(jiao)薄(bo)(bo)(bo)，薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)材(cai)通常依附于一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)襯底材(cai)料(liao)之上。常規XRD測試，X射(she)(she)(she)線(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穿(chuan)(chuan)透深度(du)(du)一般在(zai)幾個(ge)微(wei)米(mi)到幾十個(ge)微(wei)米(mi)，這遠(yuan)遠(yuan)大于薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)厚度(du)(du)，導(dao)致薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號會受到襯底的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響（圖(tu)1）。另外，隨著衍射(she)(she)(she)角(jiao)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，X射(she)(she)(she)線(xian)在(zai)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)照射(she)(she)(she)面積(ji)逐漸減小，X射(she)(she)(she)線(xian)只(zhi)(zhi)能(neng)輻射(she)(she)(she)到部分樣(yang)(yang)(yang)品(pin)，無法利(li)用整個(ge)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)體積(ji)，衍射(she)(she)(she)信(xin)號弱(ruo)。薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)掠(lve)入(ru)(ru)(ru)射(she)(she)(she)衍射(she)(she)(she)（GID：Grazing Incidence X-RayDiffffraction）很好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)解絕了以上問題。所謂(wei)掠(lve)入(ru)(ru)(ru)射(she)(she)(she)是指使X射(she)(she)(she)線(xian)以非常小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)入(ru)(ru)(ru)射(she)(she)(she)角(jiao)（＜5°）照射(she)(she)(she)到薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)上，小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)入(ru)(ru)(ru)射(she)(she)(she)角(jiao)較(jiao)(jiao)(jiao)大減小了在(zai)薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穿(chuan)(chuan)透深度(du)(du) 。同時低入(ru)(ru)(ru)射(she)(she)(she)角(jiao)較(jiao)(jiao)(jiao)大增(zeng)加(jia)了X射(she)(she)(she)線(xian)在(zai)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)照射(she)(she)(she)面積(ji)，增(zeng)加(jia)了樣(yang)(yang)(yang)品(pin)參與衍射(she)(she)(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)體積(ji)。這里有兩點說明：GID需要(yao)專(zhuan)門(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硬件配(pei)置(zhi)；常規GID只(zhi)(zhi)適(shi)合多晶薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)和非晶薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)，不適(shi)合單晶外延(yan)膜(mo)。本文介(jie)紹了GID在(zai)薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)結構分析中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用，文中GID數(shu)據是在(zai)布魯克D8 ADVANCE X射(she)(she)(she)線(xian)衍射(she)(she)(she)儀上完成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。 

實例一 單層薄膜GID測試

本(ben)例中樣品是(shi)在(zai)（100）單(dan)晶硅襯底上制備的(de)14nm RuO2多晶薄(bo)膜。如圖(tu)1所以，常規XRD圖(tu)譜(pu)中薄(bo)膜樣品的(de)信(xin)號(hao)被(bei)Si單(dan)晶的(de)信(xin)號(hao)掩(yan)蓋。放大圖(tu)雖(sui)然能看到(dao)薄(bo)膜衍射(she)峰，但信(xin)號(hao)非常弱。圖(tu)2中給出了入射(she)角0.3度時，樣品的(de)GID圖(tu)譜(pu)。圖(tu)中沒有Si單(dan)晶襯底的(de)信(xin)號(hao)，且薄(bo)膜信(xin)號(hao)明顯(xian)。利用(yong)全譜(pu)擬合得到(dao)了薄(bo)膜的(de)晶胞參數、晶粒大小以及微觀應變。

 

圖1 RuO2薄膜常規XRD測試圖譜。

左圖：單晶硅襯底的很強信號；

右下圖：RuO2薄膜的微弱信號；右上圖：RuO2薄膜結構示意圖。

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

實(shi)例(li)二(er) 多層薄膜GID測試

當樣品為多層(ceng)薄(bo)膜時，通過設(she)置(zhi)不同的(de)(de)入射角度(du)，進而控(kong)制X射線在薄(bo)膜中的(de)(de)穿(chuan)透深(shen)度(du)，GID可以被用來確定(ding)薄(bo)膜材料的(de)(de)結構(gou)隨深(shen)度(du)變化的(de)(de)信息。本例(li)中的(de)(de)樣品為45nm NiO/355nm SnO2/玻璃 。

圖3 左圖：不同入射角時，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(du)omega=0.3°入射(she)時(shi)，看(kan)到薄膜(mo)(mo)上層的(de)(de)(de)立方(fang)NiO。當入射(she)角omega=0.5°時(shi)，有四方(fang)SnO2的(de)(de)(de)衍射(she)峰(feng)(feng)出現，隨著入射(she)角進一(yi)步(bu)增加(jia)，SnO2的(de)(de)(de)信號(hao)逐(zhu)漸加(jia)強(qiang)(qiang)，說(shuo)明有更(geng)多的(de)(de)(de)X射(she)線照射(she)到SnO2薄膜(mo)(mo)上。同時(shi)，兩物(wu)相(xiang)衍射(she)峰(feng)(feng)的(de)(de)(de)相(xiang)對強(qiang)(qiang)度(du)與卡片對比（左圖）可以知道，NiO和SnO2均有一(yi)定(ding)程度(du)的(de)(de)(de)取向。其中SnO2的(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)差(cha)別更(geng)大，說(shuo)明取向更(geng)強(qiang)(qiang)。