【文章內容簡介】 圖 c )。 衍射模式可實現(xiàn)表征的薄膜結構信息： 1）晶體點陣類型和點陣常數(shù)； 2）晶體的相對位向 (織構取向 )； 3）晶粒的尺寸； 4）孿晶、位錯等晶體缺陷信息。 最常用的公式： 式中： a — 晶格常數(shù)； dhkl — 沿 [hkl] 晶向的晶面間距； ?e — 電子波長； L — 像平面 樣品間距； R — 衍射環(huán)的半徑。 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 透射電子顯微鏡 (TEM) 典型薄膜結構的電子衍射花樣 ? ?1 5)(5 2/1222?????????? ?h k leh k lRdLlkhad?Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 15 六、影像模式： 成像特點： 1）用物鏡光闌選取透射電子束 或 任一衍射電子束直接成像得到； 2）樣品不均勻性 ? 衍射束強度變化 ? 放大成像 ? 樣品結構的透射像。 三種成像方式及特點： ? 相位襯度像 可實現(xiàn)高分辨率晶體點陣像成像的原因 ！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 透射電子顯微鏡 (TEM) ?????束成像相位襯度像：多束電子子束和其它衍射束過濾射束成像，而將透射電暗場像：只使用一束衍射束過濾掉子束成像，而將所有衍明場像：只使用透射電??????????????????重現(xiàn)晶體點陣周期場更多細節(jié)同時起作用相位振幅多束電子束干涉相位襯度不涉及電子束間的干涉暗場像明場像振幅襯度 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 16 一、 XRD的測量原理及特點： 衍射條件： 2d? sin? = n? (布拉格條件 ) 衍射前提： ? ≤ a (晶格常數(shù) ) 電磁波的波長滿足： ? E 的大致水平： Ee≥102 eV、 En≥102 eV、 E?≥104 eV！ XRD的特點： ? 波長很短 (~10 nm)、能量極高 (104 eV) ? 穿透樣品能力極強； ? 穿透能力強 ? 要產(chǎn)生足夠的衍射強度需要被輻照樣品區(qū)域足夠大 ( 電子衍射 )； ? 不易會聚 ? 空間分辯率較低。 測量原理： 樣品晶面與入射 X射線束滿足 Bragg 條件：衍射強度 ? ? 入射 /衍射角 + 強度分布 ? 材料結構信息：點陣類型、點陣常數(shù)、晶向、缺陷、應力 … 二、薄膜樣品與塊體 /粉末樣品 XRD的區(qū)別： 普通 XRD： 入射角 = 20~120o、穿透深度 10~100 ?m ? 主要衍射信息來自基體 ? 薄膜不適用！ ? 入射 衍射束構成平面垂直于樣品表面 ? 發(fā)生衍射的是與樣品表面平行的晶面！ GIXRD： X射線 采用小角度掠入射 (0~6o) ? X射線的主要穿透區(qū)域在薄膜內 ?入射 衍射束構成平面 平行于 樣品表面 ? 發(fā)生衍射的是與樣品表面垂直的晶面！ 三、 GIXRD的效果： 參與衍射以薄膜原子為主 ? ?基體材料干擾 ? 獲得更多薄膜材料結構信息 ！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 掠入射 X射線衍射 (GIXRD) GIXRD的實現(xiàn)原理 1 6 )(5 2mEh??Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 17 一、出發(fā)點： 電子衍射可以揭示晶體點陣的周期性勢場排布； ? TEM 電子衍射 ? 電子能量較高 ? 穿透式 (非表層信息 )； ?電子能量 ? 僅表面原子衍射 ? 揭示薄膜結構特性！ 二、具體實現(xiàn) (如右圖 1)： 10~1000 eV的低能電子從薄膜法向入射到薄膜表面； 低能電子只受到表面晶體二維平面周期場的作用，其衍射斑點 對應薄膜表面晶體結構： ? ? 一定時，一維原子鏈的衍射為圍繞其軸線的兩個錐面 (圖 2)； ? n 不同時 (周期性排布變化 )產(chǎn)生椎角不同的衍射錐面對； ? 二維點陣的 衍射方向是上述不同方向、椎角衍射錐面的交線！ 利用球面熒光屏截取衍射線 ? LEED斑點 (圖 4) ? 表征原子排列的周期性和對稱性，并非實際原子的位臵！ 三、 LEED的缺點 (如右圖 3 所示 )： ? 半級斑點相同 ? 點陣 結構可以完全不同 ? 只能推斷、不能確認 ? 需要其它測試手段進一步確認材料表層的點陣結構！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 低能電子衍射 (Low Energy Electron Diffraction) 1 2 3 4 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 18 一、測量原理： 測量物質原子間作用力 ！ 原子間距 1 nm時，原子間的 LennardJones勢顯著化 ? 原子間產(chǎn)生較強相互作用力，并滿足： F = 6A?r7 + 12B?r 13 (517) 原子間距離 ? ? 原子間作用力 ?? ? 可由微探針受力大小換算出表面原子高度 ? 樣品表面形貌 ? 獲得的是原子力圖像，并非真實形貌！ 核心部件：直徑 10~20 nm的顯微探針 + 壓電驅動裝臵 二、主要工作模式： 接觸式： 探針與樣品表面極為接近 ? 直接受很強斥力作用 ? 分辯率很高！ 非接觸式： 探針以一定頻率在樣品表面上方 510 nm處振動 ? 受表面 探針間引力作用 (F≈ 1012 N) ? 分辯率低、但不會接觸 /損壞 /污染樣品！ 拍擊式： 振動 + 接觸模式 (振幅約 100 nm) ? 每次振動中接觸樣品表面一次 ? 兼具 高分辨率和非接觸式不影響樣品的優(yōu)點！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 原子力顯微鏡 (Atom Force Microscopy) AFM的基本構成 原子力與原子間距的關系 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 19 一、測量原理： 利用量子力學的隧道效應測量表面形貌！ 利用一根非常細的鎢金屬探針實現(xiàn)測量； 當針尖與樣品表面距離極小時，針尖原子的外層電子會通過 “隧道效應”跳到待測物體表面上形成隧道電流； 由于樣品表面原子級微小起伏會影響隧道電流的大小，只有 不斷調整針尖相對于物體表面的高度才能維持恒定的隧道電 流，針尖高度的調整軌跡即可對應待測樣品的表面形貌。 二、主要特點： 探針直徑： ~10 ?m； 針尖 樣品表面距離： 1 nm左右； 分辯率：法向 nm，切向 nm (極高！ )； 隧道電流的直接相關量是表面電子態(tài)密度，如果存在其它 影響電子態(tài)密度分布的因素，則可能得到“偽表面形貌”！ 要求待測樣品具有導電性或者是半導體； 可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣 品可浸在水、電解液、液氮或液氦中； 可觀察到表面的原子結構，是顯微鏡技術的一大進展，也 成為納米技術的主要分析工具 (如右圖所示 )； 可推動表面原子遷移，實現(xiàn)原子級表面重構 (如右圖 )！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結構 掃描隧道顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy) STM的基本構成及原理圖 STM測得的表面原子結構和實現(xiàn)的原子操縱 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 20 一、出發(fā)點： 利用激發(fā)源 (如：電子束、離子束、光子束、中性粒子束等 )， 有時還加上電磁場、溫度場的輔助，使被測樣品發(fā)射攜帶元素成分 信息的粒子，實現(xiàn)化學組成、相對含量的分析。 二、主要分析方法： 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 薄膜成分表征的基本原理 分析方法 元素范圍 探測極限 /% 空間分辯率 深度分辨率 入射束 出射束 X射線能量色散譜 EDX Na~U 1 ?m 1 ?m e ? (xray) 電子探針 EPMA B~U 俄歇電子能譜 AES Li~U 50 nm nm e e X射線光電子能譜 XPS Li~U 100 ?m nm ? (xray) e (光電子 ) 盧瑟福背散射 RBS He~U 1 1 mm 20 nm i+ i+ 二次離子質譜 SIMS H~U 1 nm nm i+ i+II (次級靶離子 ) Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術 材料科學與工程學院 2023169。 西安理工大學 Xi39。an University of Technology 21 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 內層電子躍遷以及相應 X射線、電子發(fā)射過程 a. 基態(tài)原子內層電子排布； b. K層電子空能級的產(chǎn)生； c. 特征 X射線的產(chǎn)生； d. 俄歇電子的產(chǎn)生。 三、電子激發(fā)原理簡介： 物質原子 的電子層結構： ? 內層電子排布：取決于元素成分 (原子序數(shù) )； ? 外層電子排布：取決于化學鍵合； 因此：成分分析基于待測材料原子內層電子 受激所