XRD應用介紹 | 掠入射X射線衍射

薄膜材料就是厚度介于一個納米到幾個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射線的穿透深度一般在幾個微米到幾十個微米，這遠遠大于薄膜的厚度，導致薄膜的信號會受到襯底的影響（圖1）。另外，隨著衍射角度的增加，X射線在樣品上的照射面積逐漸減小，X射線只能輻射到部分樣品，無法利用整個樣品的體積，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題。所謂掠入射是指使X射線以非常小的入射角（＜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 。同時低入射角較大增加了X射線在樣品上的照射面積，增加了樣品參與衍射的體積。這里有兩點說明：GID需要專門的硬件配置；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射線衍射儀上完成的。 

實例一 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，樣品的GID圖譜。圖中沒有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。

實例二 多層薄膜GID測試

當樣品為多層薄膜時，通過設置不同的入射角度，進而控制X射線在薄膜中的穿透深度，GID可以被用來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，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，看到薄膜上層的立方NiO。當入射角omega=0.5°時，有四方SnO2的衍射峰出現，隨著入射角進一步增加，SnO2的信號逐漸加強，說明有更多的X射線照射到SnO2薄膜上。同時，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，說明取向更強。