《半导体与晶体薄膜的XRD 测量》 实验报告
学 院 数理与信息工程学院 专 业 物理学 课 程 近代物理实验 姓 名 阮柳晖 学 号 09180229 组 员 王健華 指导老师 斯劍霄
完成时间：2012年5月27日
【摘要】： 利用Y —2000型X 射线衍射仪，对不同衬底所镀晶体薄膜进行XRD 测量，利用测量出的衍射峰，可以较好地分析薄膜晶面在不同温度下的生长趋势，从而帮助获得较高纯度的晶体薄膜。此外，利用各衍射峰的半高宽，可以获得相关晶体所对应的密勒指数下的晶粒大小，并对不同温度相同晶面的晶粒大小进行比较分析。
【关键词】：XRD 测量 衍射峰 晶体薄膜 半高宽 晶粒大小
【引言】： 自从伦琴于1895 年发现X 射线以来，人们对X 射线的应用开展了深入的研究。X 射线衍射技术是利用X 射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应，进行物相分析、结构类型和不完整性分析的技术，可广泛应用于物理学、化学、分子物理学、医学、金属学、材料学、高分子科学、工程技术学、地质学、矿物学等学科领域，是目前应用最广泛的一项技术，在材料现代分析方法中占有重要的地位。XRD 主要应用于定性相分析、定量相分析、晶粒大小的测定、材料的宏观和微观应力测定、织构(择优取向 分析、取向度和晶体及多晶体的定向测量。
本文主要介绍利用XRD 衍射仪测量晶体衍射峰强度，从而了解所镀膜层随温度变化晶体生长取向的变化趋势，以及根据晶体对应密勒指数下的衍射峰的半高宽计算晶粒大小，进而对薄膜材料的制备条件有更为深入的了解。
【正文】： 一、 实验原理
（1）、布拉格方程及其衍射理论
图1 X 射线布拉格衍射示意图 布拉格方程一般表示为： 2d hkl sin θ = n λ
其中，d hkl 是(hkl 晶面间距，θ 是布拉格角，整数n 是衍射级数，λ 是所用X 射线的波长。布拉格方程反映了X 射线在晶体中衍射时所遵循的规律。
（2）、谢乐公式
根据XRD 衍射数据，可以采用谱线宽化法间接测定晶体中平均晶粒大小，其计算式如下
L h , l , k k λ=βh , k , l cos θh , k , l
这就是著名的谢乐( Scherrer 公式。其物理意义为: 垂直于h, k, l 晶面方向上的晶粒大小。式中:
K: 入射X 射线的波长，操作中取0.9； θh, k, l : h, k, l 晶面的衍射角； B
h, : h, k, l 晶面衍射峰的宽度( 2θ弧度 ； 二、实验仪器及使用说明
本实验利用Y —2000型XRD 衍射仪。仪器如下：
其内部结构包括：
1、高稳定度X 射线发生器及防护系统
2、测角仪（卧式或立式） 3、冷却循环水装置(一体或分体 4、数字化记录控制单元及探测器 5、衍射仪操作系统及应用分析软件包 6、高性能计算机及技术资料和配件
打开冷却水及XRD 衍射仪电源，前期预冷半小时，打开计算机，放入样品，打开衍射仪操作软件，设置参数后衍射仪进入工作，数据经探测器显示在衍射仪操作软件上，数据采集结束后，保存数据。
三、实验验数据及处理
（一）、温度对薄膜晶面生长的影响
根据实验数据将不同温度所镀相同材料做出同一坐标下射线衍射强度—2倍衍射角曲线图，从图中可以分析出各个晶面衍射强度随温度的变化趋势，在不同温度下所镀膜层，其某一晶面衍射强度不同，衍射强度越大，说明该温度越有利于该晶面的生长。具体图像及数据如下：
①、Grown BaF2 on Ag substrate（250℃、300℃，Cu 靶）
温度升高的过程中：
（1）、有利于BaF2（200）、（400 晶面的生长。猜想，在>300?C 存在一温度最有利于BaF2（200）、（400 晶面的生长。
（2）、抑制BaF2（111）、（311）晶面的生长。猜想在<250?C 存在一温度最利于BaF2（111）、（311）晶面的生长
（3）、温度升高对于BaF2（222）晶面则表现为基本相同。猜想，温度对BaF2（222）晶面生长几乎不影响，或者，250—300?C 之间存在一温度最利于或最不利于BaF2（222）晶面的生长。
②、Grow BaF2 on PbTe substrate (200℃、250℃、300℃、350℃，Cu 靶
温度升高的过程中：
（1）、有利于BaF2(111晶面的生长。猜想在>350?C 存在一温度最利于BaF2(111晶面的生长。
（2）、对于BaF2（222）表现为先增后稳定，在从200—250?C 有一个突增，而300?C 比250?C 明显减小，350?C 与300?C 几乎无异，猜想250?C 左右可能为最利于BaF2（222）生长的温度。
（3）、BaF2（511）晶面与BaF2（222）晶面表现相似，都是先增后减再稳定，猜想250?C 附近为BaF2（511）晶面的最适生长温度。
③、Grown BaF2 on Fe-si substrate（200℃、300℃、350℃，Cu 靶）
温度升高的过程中： （1）、有利于BaF2（200）、（222）晶面，Si （400）晶面和Fe2O3（104）晶面的生长。猜想，在>350?C 存在一温度最利于BaF2（200）、（222）晶面，Si （400）晶面和Fe2O3（104）晶面的生长。 （2）、抑制BaF2（122）、（311）晶面的生长。猜想，在<200?C 存在一温度最利于BaF2（122）、（311）晶面的生长。 （3）、温度升高对于BaF2（111）晶面则表现为先增大后减小，猜想在200—350?C 存在一温度最利于BaF2（111）晶面的生长。
④、Grow PbTe on BaF2 substrate (280℃、370℃、415℃，Mo 靶 5
温度升高的过程中： （1）、PbTe （400）晶面表现为先稳定后突然增大。猜想，在>415?C 存在一温度最利于PbTe （400）晶面的生长。 （2）、PbTe （222）、（444）晶面表现先减小后增大，且温度为415?C 时衍射峰异常高，猜想在>415?C 存在一温度最利于PbTe （222）、（444）晶面的生长。
（二）、温度对晶粒大小的影响
根据图像，通过jade 软件，计算各个材料薄膜对应的衍射峰的半高宽；利用谢乐公式：Dc =0. 90λ/B cos θ（式中λ为x 光靶波长，B 为半高宽，θ为衍射角）计算各个晶面晶粒大小；并将相同材料相同衍射峰对应晶面的晶粒大小以图片形式予以比较，如下所示：
①、BaF2 on Ag substrate（Cu 靶）
6
表一：BaF2 on Ag（Cu 靶）在200℃、250℃下薄膜的衍射峰对应晶面的半高宽
表二：BaF2 on Ag（Cu 靶）在200℃、250
℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大小
根据上图分析：温度升高，有利于BaF2（111）、（200）、（311）、（222）、（400）晶粒的长大。由此猜想，最利于BaF2（111）、（200）、（311）、（222）、（400）晶粒长大的温度为300?C 或更高。
②、BaF2 on Fe—Si substrate（Cu 靶）
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表四：BaF2 on Fe-si（Cu 靶）在200℃、300℃、350℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大
小
根据上图分析： （1）、温度升高，不利于BaF2（122）晶粒长大，猜想，最利于BaF2（122）晶粒长大的温度为200?C 或更低。
（2）、温度升高，BaF2（111）、（311）晶粒大小先增大后减小，猜想，250—350?C 之间存在某一温度最利于晶粒长大。
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③、BaF2 on PbTe（Cu 靶）
晶粒大小
（注：200?C 下BaF2（222）、（511）晶面衍射强度太小，计算半高宽误差较大，因此该温度下数据不予采集。）
根据上图分析： 9
（1） 、温度升高，不利于 BaF2（222）（511）晶粒的长大，猜想，最利于 、 BaF2（222）（511）晶粒长大的温度为
或更低。 、 （2） 、温度
之 间存在某一温
升高，BaF2（111）晶粒大小先增大后减小，猜想 250—
度最利于 BaF2（111）晶粒长大。 ④、PbTe on BaF2 substrate（Mo 靶） 温度 半高宽（度） （nm） （nm） 晶面
0.171 0.456 0.178 22.790 0.147 0.206 0.137 26.365 0.296 0.661 0.271 46.635 表七：PbTe on BaF2（Mo 靶）在 280℃、370℃、415℃下薄膜的衍射峰对应晶面的半高宽 温度
晶粒大小
晶面(hkl（h） （hkl） PbTe(222 PbTe(400
PbTe(444 280 370 415 218.209 81.828 209.628 255.564 182.369 274.219 100.578 60.255 146.969 表八：PbTe on BaF2（Mo 靶）在 280℃、370℃、415℃下薄膜的衍射峰对应晶面的晶粒大小 10
根据上图分析： 温度升高，PbTe（222）（400）（444）晶粒大小先减小后增大，猜想最利 、 、 于 PbTe（222）（400）（444）晶粒的长大的温度为或
；在 280 、 、 —
之间存在一温度最不利于 PbTe（222）
（400）（444）等晶粒的长大。 、 、 （注：测晶粒大小时，B 会受仪器宽度 b 影响，使测出数据与真实值不符， h, k, l 但是实验主要观察晶粒大小变化规律，在此不作涉及 b 的复杂处理） 四、实验总结 ①、该开放性实验历时近一个学期，实验中，主要以使用专业仪器测量样本 为主，因为此项工作耗时最多，在此过程中，深入了解 XRD 衍射理论，并对样本 制备的原则及理论要求有了较为深入的了解。 ②、实验有不足之处，客观的讲，受到仪器、时间的限制，特别在对薄膜厚 度、 杂质等因素上没有深入的涉及， 会影响到数据的准确性、 严谨性以及科学性。 ③、在数据处理的过程中，学习了 origin 软件的图像处理及 jade 软件的测 半高宽方法要领。并对数据的整理分析、趋势预测等有一定的涉及，从而对该方 面的认识进一步加深。 ④、当然，该实验耗时较多，通过本实验的研究学习，培养了我和组员的耐 心、细心、恒心，对以后的学习工作很有帮助；另外，实验的研究实践，使我们 体会了科学探究的艰辛，发现真知的不易。 ⑤、在实验过程中，思想上会与组员发生必要的碰撞，也会引发一些争执， 但是这些所谓的争执会让我们更好地解决一些问题，在此，我对我的组员表示感 谢。另外，在实验过程的各个部分中，或多或少遇到一些问题，斯老师总会给予 启发性、有实质性帮助的建议，在此，对斯老师的耐心指导表示感谢。 【参考文献】 1、戚绍祺，胡萍春.晶粒大小的测定【J】.广州化学.2000（9） ：33—38 2、黄清明,俞建长,吴万国.薄膜镀层的 XRD 分析【J】.福建大学学报.2004 (6:773-775 3、谢清连?，黄国华，潘吟松，黄自谦.XRD 在薄膜结构分析中常见问题的研究 【J】.广西物理.2010（4）.15-18 11
半导体与晶体薄膜的XRD测量 - 图文（精）
