X 射线衍射仪在薄膜结构分析中的测试方法研究

蒋艳玲，韩 徐，金艳营，魏晋忠，谢善秀，谢清连

（南宁师范大学 物理与电子学院，广西 南宁 530001）

0 引言

自从19 世纪末伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时发现X 射线以来，物理学家对其产生的机制及应用做了许多研究和探索。目前，人们利用X 射线的穿透效应、电离作用、荧光效应、热效应和波动性等物理性质开发了各种设备。这些设备在生产实践、医疗保健、科学研究等领域得到了广泛的应用。比如，在材料学研究中，就有X 射线单晶衍射仪、X 射线粉末衍射仪、X 射线荧光光谱仪、X 射线光电子能谱仪、能量色散X 射线光谱仪等众多设备[1-3]。其中，X 射线衍射（XRD）仪是基于布拉格方程和衍射理论开发出来的，是现代材料研究中常用的一种测试仪器。它可以对材料的成分、晶体结构、晶粒尺寸、应力等方面进行测定。

X 射线衍射仪测试方式有θ-2θ扫描、ω扫描、φ扫描、掠入射扫描等。在测试固体薄膜的θ-2θ扫描过程中，样品的固定常采用图1 的方法，使用橡皮泥做成“山”型来固定样品。根据布拉格方程，正确测试要求样品表面与铝板面共面，这是因为衍射仪采用铝板面定位，X 射线管和X 光子收集器绕过O点法线转动，保证收集器在2θ方向收集光子。

在实际测试过程中，发现同一个样品，在多次压片（使样品表面与定位铝板面共面）重测结果相差很大。有的XRD 图的衍射峰强度很低，有的XRD 图出现其它衍射面的峰，有时甚至看不到样品的衍射峰，这给测试人员增加大量的重测工作量，同时也给研究人员分析样品的质量、制定制备工艺带来了较大的困难。本文研究了在TlBa2Ca2Cu3O8.5（Tl-1223）超导薄膜测试过程中的测试方法，以期为测试人员和研究人员分析薄膜质量提供参考。

1 实验

实验样品为5 mm × 5 mm × 0.5 mm 的Tl-1223超导薄膜，是采用文献[4]的方法制备，X 射线衍射仪型号为DX-2700B。在测试过程中，由于橡皮泥的重力及可塑性，样品面相对于铝板面会逐渐形成一个夹角、或向上凸起、或向下平移，导致样品与铝板面不共面。为研究各种不共面状态对测试结果的影响，在本文的θ-2θ和ω扫描测试实验中采用一根直径为0.1 mm 的不锈钢丝放在薄膜样品下，如图1（a）所示，其偏离角度约为1.1°；在每次实验中不锈钢丝放在样品下边缘的不同位置，可形成样品面与铝板面在不同方向倾斜，从而获得了模拟实际工作中可能出现的各种不共面关系的扫描图。

2 结果与讨论

2.1 当铝板面与样品面在同一平面

正确测试要求样品表面与铝板面共面，如图1 所示。其中图1（a）为实物图的照片，图1（b）为采用CAD 软件画的三维图，X 射线沿MN方向入射扫描，图1（c）为其截面光路图。

图1 样品面与铝板面共面

在这种情况下进行θ-2θ扫描，结果如图2（a）所示。从图2 可以看出，当样品面与铝板面共面时，薄膜相应的峰都出来了。对照PDF 卡可以知道，XRD 图中除了两个基片峰，其他均为Tl-1223 的（001）、（002）和（003）等衍射峰，样品为纯c 轴取向的Tl-1223 薄膜。对Tl-1223 的007 衍射峰进行ω扫描，如图2（b）所示。摇摆曲线的峰形对称，其半高宽为0.85°。

图2 两面共面时的XRD 图

2.2 样品平面沿PQ 方向倾斜

在实际测量中，由于橡皮泥的可塑性，样品面相对于铝板面在PQ 方向一边高、另一边低，如图3 所示。图4 为样品的θ-2θ和ω扫描。图4（a）表明各衍射峰的强度急剧降低，在9.49°、26.47°等位置出现其它衍射峰。这是因为此时衍射角变大，根据反射原理，反射线向靠近法线方向偏移，由于出射狭缝（0.1 mm）的限制，X 射线光子收集器只能采集衍射峰的非极值处的光子，造成衍射峰强度很弱以及衍射峰位偏移。由图4（b）可知，此时得不到完整的衍射峰，也就没有峰位和半高宽可言，更不能获取样品的相应信息，如生长情况和晶粒大小等。

图3 样品平面沿PQ 方向倾斜

图4 样品平面沿PQ 方向倾斜时的XRD 图

2.3 样品平面沿MN 方向倾斜

如果是样品面相对于铝板面在MN 方向一边高、另一边低，样品的XRD 扫描会有不同衍射峰，如图5所示。从图5 可以看出，各衍射峰强度显著降低，同时出现了其他杂峰，而且观察不到基片峰，由此不能判断薄膜的生长质量。

图5 样品面沿MN 方向倾斜的θ-2θ 图

2.4 样品面相对铝板面的对角线方向倾斜

如果样品面相对定位铝板面的对角线方向一边高、另一边低，样品的θ-2θ扫描结果如图6 所示。图中仅能观测到微弱的Tl-1223 的（006）峰及杂相峰，其它峰都消失了，完全无法判断样品的生长情况，甚至会错误地认为样品生长得极其不好。

图6 样品面沿对角线方向倾斜的θ-2θ 图

2.5 当样品面相对于铝板面向下或向上平移

当样品面相对于铝板面向下平移，其光路如图7所示。此时衍射角未发生变化，但是照射样品部位发生了变化，同时反射光线向下平移。样品的θ-2θ扫描如图8 所示。与共面情况图2（a）相比，衍射峰位基本一致，但强度稍微变弱；如果样品面向下平移距离增大，衍射峰强度进一步减弱，直至消失。如果样品面相对于铝板面向上平移，也得到类似的结果。

图7 样品面向下平移的光路图

图8 样品面向下平移的XRD 图

2.6 解决的办法

（1）样品静置的方法。当采用橡皮泥压制好样品后，把样品放在玻璃板上静置3 ～ 5 min，使橡皮泥的内应力充分释放，这样在测试过程中样品面与铝板面一般能保持共面。但采用这种方法还是有少量样品出现不共面现象，这是因为每次橡皮泥与铝板的粘贴情况有差别，在测试过程中橡皮泥在重力作用下发生小形变而产生不共面现象。

（2）不锈钢代替橡皮泥固定样品的方法。首先把不锈钢丝（直径1 ～ 2 mm）做成“山”字型，其中中间的支撑杆做成螺杆形式，可调节其高度；然后在螺杆顶部放少量橡皮泥来固定样品。采用这种方法可避免橡皮泥因其重力而产生较大形变的问题。

3 结语

应用粉末衍射仪来测试固体薄膜的结构时，样品面与定位铝板面之间的关系对测试结果有较大的影响。使用样品静置的方法以及不锈钢代替橡皮泥固定样品的方法可以解决两面共面引发测试结果不准确的问题，保证了测试结果正确反映薄膜的生长信息。