薄膜结构X射线表征

薄膜结构X射线表征麦振洪中国科学院物理研究所[e-mail]一.薄膜结构完美性表征的重要性二.薄膜制备方法三.表征薄膜结构X射线技术1.X射线衍射2.双轴晶X射线衍射3.X射线反射率4.掠入射衍射5.X射线漫散射6.X射线反射形貌四.应用实例参考资料1.梁敬魁.《粉末衍射法测定晶体结构》，科学出版社,2003.2.马礼敦.《近代X射线多晶体衍射》,化工出版社，2004.3.盛篪、蒋最敏、陆肪、黄大鸣.《硅锗超晶格及低维量子结构》,上海科学技术出版社，2004.4.莫志深、张宏放.《晶态聚合物结构和X射线衍射》科学出版社,2003.5.胡家璁.《高分子X射线学.》，科学出版社,2003.6.麦振洪.《薄膜结构X射线表征》，科学出版社，2007.7.Maizhenhonhetal.Phys.Rev.B41(1990)9930.8.麦振洪“高分辨X射线双晶衍射技术在半导体薄膜材料中的研究”物理21(1992)181.9.崔树范“掠入射X射线衍射在表面、界面和薄膜材料结构研究中的应用”物理22(1993)87.10.麦振洪“X射线三晶衍射及其应用”物理23(1994)46.11.麦振洪“低维材料的X射线衍射”物理25(1996)243,303.12.麦振洪吴畏“X射线驻波及其应用”物理31(1998)93.13.麦振洪“同步辐射光50年”物理31(2002)106.薄膜结构X射线表征第一篇基本实验装置第一章实验装置基本单元1.1X射线源1.1.1X射线产生和X射线谱1.1.2封闭式X射线管1.1.3同步辐射光源1.2X射线准直和单色化1.2.1狭缝1.2.2双晶单色器1.2.3多晶单色器1.3X射线探测器1.3.1计数器1.3.2位敏探测器1.3.3面探测器第二章薄膜X射线衍射仪2.1高分辨共面X射线衍射装置2.2掠入射衍射装置2.3测量分辨率的分析第三章表面/界面X射线散射3.1固体表面/界面X射线反射和漫散射装置3.2液体表面/界面X射线反射和散射装置第二篇基本理论第四章X射线衍射运动学理论4.1引言4.2X射线衍射几何4.2.1劳厄方程4.2.2布拉格方程4.3倒易点阵4.3.1倒易点阵定义4.3.2色散面---Ewald球4.3.2.1衍射极限球4.3.2.2布拉格方程与劳厄方程互推算4.4X射线衍射强度4.4.1单电子散射4.4.2原子散射因子4.4.3结构因子4.5薄晶体衍射强度第五章金属多层膜的X射线衍射运动学理论5.1成分混合/合金化的多层膜5.2[A/B]N多层膜第六章X射线衍射动力学理论(一)----完美晶体6.1引言6.2完美晶体中X射线波动方程6.3双光束近似6.4色散面6.5劳厄几何晶体内波场振辐6.6布拉格几何晶体内波场振辐6.6.1无吸收晶体的反射率6.6.2有吸收晶体的反射率6.7双晶衍射摇摆曲线的理论计算第七章X射线衍射动力学理论(二)—畸变晶体7.1前言7.2晶体中的调制波7.3高木方程7.4高木方程的Taupin形式7.5多层膜结构的X射线双轴晶摇摆曲线计算7.5.1.概述7.5.2.外延材料反射率的X射线衍射动力学理论解7.5.3迭代公式中参数的计算7.5.3.1.外延层的点阵参数与四方畸变7.5.3.2.结构因子7.5.3.3几何参数7.6应变弛豫超晶格的X射线双轴晶摇摆曲线计算7.6.1弛豫机制与应变分布7.6.2取向差与峰形展宽7.6.2.1取向差7.6.2.2衍射峰形的展宽第八章X射线异常衍射精细结构(DAFS)理论8.1没有周期调制的多层膜8.2[A/B]n多层膜8.3实验方法8.4DAFS谱线的分析方法第九章X射线掠入射衍射理论9.1概述9.2X射线掠入射衍射准运动学理论9.2.1畸变波玻恩近似（DWBA）9.2.2畸变波玻恩近似下薄膜材料的掠入射衍射理论9.3掠入射衍射的应用X射线界面反射和漫散射理论第十章X射线界面反射和漫散射理论10.1X射线镜面反射10.2粗糙表面的散射(一)--Born近似10.3粗糙表面的散射(二)--DWBA理论10.4多层膜的DWBA散射理论10.5界面起伏的关联函数10.5.1表面关联函数10.5.2自仿射(self-affine)关联10.5.3多层膜界面之间的关联第三篇薄膜和多层膜微结构表征第十一章单层膜和多层膜厚度11.1单层膜和多层膜共面X射线衍射11.2埋层的探测11.2.1高分辨X射线衍射11.2.2X射线镜面反射第十二章外延膜的点阵参数、应力与组分12.1共面X射线双轴晶衍射12.2薄膜残余应力检测的X射线Mapping技术12.3掠入射衍射第十三章薄膜表面与界面13.1X射线镜面反射13.1.1氧化物薄膜界面13.1.2磁性金属多层膜界面13.1.3BaTiO3/Pt界面的“deadlayer‖13.2X射线漫散射13.2.1ZnTe/ZnSxTe1-x超晶格中的生长台阶13.2.2长周期BeTe/ZnSe超晶格界面台阶上的无规起伏13.2.3短周期BeTe/ZnSe超晶格界面的化学键13.3X射线异常衍射精细结构13.3.1埋层量子线13.3.2在金属多层膜中的应用第十四章横向调制结构14.1表面栅格结构14.2横向成份调制结构14.3量子线结构14.4量子点结构14.5原子有序结构第十五章外延膜中缺陷15.1倒易空间X射线散射强度分布(Mapping)15.2应变弛豫15.2.1晶格失配应变15.2.2成份梯度应变15.3失配位错15.3.1位错的X射线漫散射15.3.2低密度位错15.3.3高密度位错15.4X射线反射形貌术15.4.1Berg—Barrett反射形貌术15.4.2双轴晶形貌术第十六章软物质薄膜与界面16.1液体薄膜与界面16.1.1实验方法16.1.2液体薄膜16.2固/液界面的磷脂多层膜16.2.1磷脂多层膜结构的X射线散射研究16.2.2磷脂多层膜的溶涨16.3表面活性剂多层膜16.3.1水对硬脂酸膜界面起伏的影响16.3.2LB膜的界面粗糙化与生长动力学一、薄膜结构完美性表征的重要性低维材料的出现是二十世纪材料科学发展的一个重要标志。它所表现出的强劲学科生命力不仅是因为它不断揭示深刻的物理内涵，推动凝聚态物理的发展。而且更重要的是，它所发现新的物理现象、物理效应源源不断地被用来开发具有新原理、新结构，并具有特殊性能的纳米结构器件。薄膜材料是重要的纳米材料。纳米材料的特征：尺寸效应、表面效应和量子效应。薄膜材料在国民经济、国家安全和人民生活各领域有着重要的应用。绝缘体A绝缘体B绝缘体A绝缘体B绝缘体？Reyren,etal.,Science2007随LaAlO3厚度变化出现界面金属性和超导电性。SuperconductingInterfacesa一tInsulatingOxidesLaAlO3SrTiO335mm~10μm吸收光谱2.39nm~1nm从分子到薄膜ZnPc薄膜的吸收光谱展得很宽，而且没有测到荧光。从这点就能判定ZnPc激发态的性质在形成薄膜时发生了巨大的变化。随着薄膜制备技术的发展，应用特殊的生长技术，如分子束外延(MBE)、金属有机气相淀积外延(MOVPE)，氢化物气相外延(HVPE)等技术，可以实现精度达到一个原子层，甚至半个原子层的逐层生长和剪裁。使人们可以根据需要设计、生长和制备具有特殊能带结构的半导体薄膜材料和器件，大大促进了微电子学和光电子学的发展。结构完美的半导体异质结、量子阱和超晶格以及量子点等材料的出现，为发现量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子尺寸效应以及单电子隧穿效应等新的物理效应提供了基础材料。大量研究表明，半导体外延薄膜的结构参数和生长参数会直接影响材料的完美性和性能。例如，晶格大失配的材料只有外延膜厚度小于临界厚度时，才有可能实现共格外延。如果外延膜厚度增加，将在界面上产生失配位错，以降低系统的应变能。另外，界面上成分互扩散和应力弛豫导致的“岛”都会使界面变差。外延薄膜材料各层的成分、厚度、应力分布以及表面、界面状态等局部变化都会影响器件的微电子和光电子性能。半导体外延膜、量子阱及量子点等材料微结构的X射线表征可以在介观或纳米尺度给出各层成分、厚度、界面起伏的局部波动。铁磁/非铁磁金属多层膜层间耦合效应和巨磁电阻效应的发现，成为新一代磁记录材料和读写磁头的源动力，开拓了自旋电子学领域。0204060801000102030405060[Co(11Å)/Cu(t)]50tCu(Å)/(%)-1.0-0.500.51.0-15-5515H(kOe)-1.0-0.500.51.0-2-1012H(kOe)-1.0-0.500.51.0-2-1012H(kOe)-1.0-0.500.51.0-2-1012H(kOe)ExchangeCoupling(1986)01020304050-7500-5000-25000250050007500Growninpoorvacuum.Growningoodvacuum.H(Oe)GiantMagnetoresistance/(%)GMR(1988)P.Grunberg,R.schreiber.Y.Pang,M.B.BrodskyandH.SowersPhys.Rev.Leet.57(1986)2442.M.N.Baibich,J.M.Brote,A.Fert,F.NgnyenVanDan,F.Petroff,P.Eitenne,G.Grenzet,A.FiederichandJ.Chazelas,Phys.Rev.Lett.61(1988)24722007年度诺贝尔物理学奖铁磁/非铁磁金属多层膜通常采用磁控溅射技术来制备。与分子束外延技术相比，磁控溅射技术的薄膜生长是远离热力学平衡区，而且生长速率高，因此，生长的薄膜的结构完美性远不如分子束外延生长的好。大量研究表明：铁磁/非铁磁金属多层膜各层厚度、界面粗糙度、界面成分扩散、应力状态和磁畴结构等因素直接影响多层膜材料的磁学性质。因此，在原子尺度上对多层膜微结构进行表征十分重要，因为它可以对优化生长条件、改善材料性能给予科学依据。薄膜材料包括单层膜和多层膜材料，无损检测对薄膜材料结构研究是重要的。作为表征薄膜材料结构的扫描探针技术，X射线衍射和散射等技术有其特别的优点，它可以无损检测单层膜或多层膜内部结构、界面状况以及纵向和横向的共格程度。CharacterizationtechniqueXRDTEMSTM与物质作用穿透深度样品制备波长Bragg角探测应变电子强小难~0.025Å小10-3~10-4X射线弱大易~1.54Å大10-5~10-6XRDisamethodwithNon-destructiveNon-contactingHighsensitivePredictorsofdeviceperformance对薄膜X射线衍射和散射实验数据进行理论模拟，可以得到薄膜内部微结构的详细信息，为研究薄膜的生长机制，优化生长条件，改善薄膜性能提供科学依据，是薄膜材料过程控制和基础研究的一个重要内容。同步辐射是二十世纪七十年代出现的新型X射线源，它具有高亮度、宽频谱、高偏振度和高时间分辨等优点，成为X射线分析技术的重要光源。许多应用常规X射线光源无法进行的实验，可以在同步辐射装置的相关实验站得以实现。这是一个发展很快、令人注目的领域，我们期望，同步辐射源的利用和发展，将使薄膜结构表征进入更高的水平。同步辐射的波长（或能量）分布是连续的宽的能谱范围♠很适合用来研究固体、分子和生物体的结构。♠适合于检测上述电子及其化学键的性质很高的亮度感光时间可研究动态LightSourceBrightness(Brilliance)10ordersofmagnitude!1:mass/restmassHighlycollimatedsource1halfangle,~1957E(GeV)准直性好亮度很高能量越高的光子，放射角度范围就越小特定的偏振特性特定的脉冲结构西实验大厅直线加速器东实验大厅对撞区BSRF2.2Gev1988.1