微尺度单晶碎屑θ单动XRD分析

杨雨灵，王 栋，刘建鹏，张 森*，兰 勇，戴穗安，李修建

(1．国防科技大学，湖南 长沙 410073;2．第三军医大学，重庆 400038)

从上世纪初期布拉格父子引入X射线作为晶体结构分析的工具，X射线衍射实验(XRD)测量手段已发展成为一种成熟的实验方法，得到的衍射数据可以快速、简单和无损地鉴别固体物质的物象组成、晶体结构信息等。［1］

一般的XRD以研磨在500目以上的粉末作分析对象［2，3］。实验中，为探究研磨不是很充分的粉末衍射结果，以近代物理实验中“利用X射线衍射进行晶格结构分析”为模板，对研磨不充分的硅单晶碎屑以θ单动得到的衍射结果进行理论分析。

1 实验方法与结果

1．1 硅单晶碎屑2θ单动的衍射实验

选取实验室制备的硅单晶碎屑作为分析对象，用Y-2000型多晶 X射线衍射仪进行测试。实验条件是室温，管电压40 kV，管电流60 mA。

首先对硅碎屑进行2θ单动测量以确定峰位，步长0．015degree得到的衍射结果，如图1，分析其晶格参数信息如表1，其中列出了前四个峰，其它峰略去。

表1 硅单晶碎屑2θ单动衍射结果

图1 硅碎屑2θ单动衍射实验结果

上述实验结果表明，从普通的2θ单动的XRD实验研究来看，研磨不是很充分的单晶硅粉末表现出正常的多峰特征，与标准PDF卡片库中的结果一致。

1．2 硅单晶碎屑θ单动的衍射实验

作者选取2θ的角度28．645 deg．保持固定，进行θ单动测量，扫描范围θ为5～20 deg．，以0．015 deg．为步长并保持其它实验条件不变，进行两次实验，得到实验结果如图2．

从两次实验结果可以看出，硅碎屑在进行θ单动测量时会出现类似噪声的无规衍射峰。但两次测量的结果图像十分吻合，说明实验结果不是由于随机的噪声造成的，而是一种必然的现象。

图2 两次硅碎屑θ单动衍射实验结果

2 θ单动衍射实验结果分析

首先提出如下解释。如图3所示，当进行θ单动测量时，由于硅单晶碎屑的颗粒较大且不均匀，导致颗粒的微取向不均匀，使得从统计上来看由颗粒表面反射的X射线在角度上不是近各向同性，而是有较大的起伏变化。其中在某个θ角度下衍射强度大，对应该角度上的满足反射定律的颗粒数目多或者晶粒尺寸较大。这样就能定性解释θ单动测量时较杂乱峰的成因了。

图3 硅单晶碎屑θ单动衍射原理示意图

导致无规衍射峰的主要原因是颗粒较大使得各向同性破缺，因此可用从衍射图像逆推出颗粒尺寸的量级。可以用谢乐公式做晶粒大小粗估计

其中，D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度;γ为X射线波长，实验中使用Cu靶，对应波长为0．154 06 nm;β为衍射峰半高宽;θ为衍射角。根据图1的衍射图像，取衍射强度大于2000CPS的峰，得到对应衍射角θ，据图像得到β，再扣除仪器宽度，得到D，如表2所示。

为检验计算的可靠性，作者又在SEM下观察硅单晶碎屑，如图4所示。发现颗粒尺寸由2 μm到50 μm不等，大小很不均匀，并且与由衍射图像根据谢乐公式做的估计基本相符。但由于谢乐公式精确不是很高，作者选取的峰也有限，因此没将SEM拍到的颗粒大小大于20 μm的衍射数据涵盖，但也能说明θ单动造成的衍射峰确实由不均匀的硅单晶碎屑造成。另外通常做XRD的500目上的粉末，颗粒尺寸约2 μm，显然本实验中硅单晶碎屑因研磨不充分颗粒尺寸要大于一般做XRD粉末。

表2 硅单晶碎屑θ单动衍射图像粗估计

图4 硅单晶碎屑SEM图像(由上而下，放大倍数分别为2万、1万和2千倍)

为验证结论，又用研磨较充分、大于500目的ZnO粉末做1中相同的实验，得到实验结果如图5。

图5 ZnO粉末θ单动衍射实验结果

从图5可以看出研磨均匀细致的ZnO粉末的θ单动衍射图像的强度为500CPS左右，起伏不大，可以推测其是由于颗粒较均匀、衍射强度角度分布各向同性所致。

综上所述，造成硅单晶碎屑θ单动无规衍射峰的出现是由于硅单晶碎屑的微取向不均匀产生的统计上的结果。从另一方面，因为做XRD衍射实验对样品的颗粒大小有一定要求，颗粒较大会导致数据可能有误，而微尺度下颗粒大小的确定一般通过SEM或人工判断，前者成本较高而后者不准确。因此该实验也可以当做检验衍射样品粉末是否因受潮等原因使颗粒长大的一种新的判断方法。

［1］ 解其云，吴小山．X射线衍射进展简介．纪念劳厄发现晶体X射线衍射100周年专题．物理［Z］．2012．

［2］ Horst Czichos，Tetsuya Saito，Leslie Smith．Springer Handbook of Materials Measurement Methods．Horst Czichos［M］．SpringerBerlinHeidelberg，2006:95-102．

［3］ Chu G，Sui Q．Extemal Standard Method of Quantitative X-ray Diffraction Phase Analysis of Samples Containing a Morphous Material［J］．Acta Metallurgica Silica，1994，7(3):179-182．