2.3.4. Рентгеноструктурные исследования пленок

Рентгеновские методы позволяют исследовать интегральные структурные

характеристики многослойных и эпитаксиальных композиций.

Дифрактограмма вещества представляет собой кривую зависимости интенсивности отраженных рентгеновских лучей от угла Вульфа-Брэгга 2, а

выражение

n 2d _hkl sin , (2.14)

где  - длина волны, n - целое число, d_hkl - межплоскостное расстояние,

отражает условие дифракции.

Начальную информацию о состоянии вещества можно получить из внешнего вида дифрактограммы. Так, хорошо окристаллизованный и однородный по параметрам решетки материал, дает узкие и высокие дифракционные пики, плохо окристаллизованный неоднородный материал - широкие и низкие. Рентгенограмма аморфного образца имеет характерный вид - это широкая линия (гало) с угловой шириной 2=10÷20^о.

Основной физической характеристикой, описывающей форму

дифракционного отражения, является его интегральная ширина. Ширина

дифракционного максимума определяется на половине его высоты,

интегральная ширина определяется по формуле

B = h(x) dx / I_max , (2.15)

где h(x) - кривая распределения интенсивности в области углов от ₀ - ∆ до ₀

+ ∆, ₀ - положение максимума, I_max - максимальная высота пика при ₀.

Ширина каждой экспериментальной линии В состоит из двух частей:

инструментальной ширины b (ширина линии эталона), зависящей от геометрии съёмки, расходимости пучка, размера фокуса трубки и т. д., и

физического уширения , определяемого факторами несовершенства

структуры (дисперсностью, микроискажениями, дефектами упаковки и т. д.).

62

Элемент инструментальной линии испытывает физическое уширение, что

можно выразить уравнением типа свёртки:

h(y)= f(y - x) g(x) dx, (2.16)

где h(y) - результирующая интенсивность в точке y, f(y - x) - кривая

распределения физического уширения инструментальной линии (линии эталона), g(x) - интенсивность инструментальной линии в точке x, где x -

текущая координата. Вкачестве эталона выбирают хорошо

окристаллизованное высокосимметричное вещество, заведомо не имеющее каких-либо искажений и дефектов структуры.

Одним из основных физических факторов несовершенства структуры

являются микронапряжения. Микронапряжения могут возникать

— при пластической деформации поликристаллического образца из-за

упругой и пластической анизотропии кристаллов,

—при неоднородном нагреве или охлаждении тела. Величина

микронапряжений будет больше в многофазном образце, если фазы имеют

различные коэффициенты теплового расширения,

— в процессе распада пересыщенного твёрдого раствора (старения). На

границах областей выделившейся фазы иматрицы создаются

микронапряжения, связанные с сопряжением решёток,

— при локальных структурных или химических превращениях.

Микронапряжения кристаллитов приводят куширению

интерференционных линий на дифрактограмме, которое можно

характеризовать величиной ∆d/d, где ∆d - максимальное отклонение межплоскостного расстояния для данной интерференционной линии от среднего значения d.

Другим основным физическим фактором, влияющим на величину интегральной ширины, является дисперсность или размеры областей когерентного рассеяния. Область когерентного рассеяния (ОКР) - это

минимальный размер частицы вещества, имеющей правильное

кристаллическое строение, на которой рентгеновские лучи рассеиваются

63

когерентно, т. е. с постоянной разностью фаз. Частицы и области когерентного

рассеяния размером, меньшим 1·10^-5÷1,5·10^-5 см вызывают эффект размытия линий на рентгенограмме.

Физическое уширение может быть использовано для определения

размеров ОКР в направлении, перпендикулярном отражающей плоскости с

индексами hkl:

D_hkl = K_hkl /( cos), (2.17)

где D - размер ОКР в ангстремах, - длина волны излучения,  - угол рассеяния, - физическое уширение линии на дифрактограмме в радианах, K_hkl

- коэффициент, зависящий от формы частицы.

Формула для определения ОКР (2.17) называется формулой Шеррера- Селякова.

Относительные измерения ОКР в зависимости от какого-либо фактора и измеренные одинаковым способом могут быть оценены достаточно точно с погрешностью не более 5-10% от определяемых величин.

Рентгенографические исследования проводили на автоматизированном

дифрактометре ДРОН  3.0 [107]. Съёмку вели в монохроматическом Fe К_

излучении с длиной волны=0,194 нм, при напряжении 25 кВ и токе 30 мА,

используя метод постоянного числа времени в интервале брегговских углов 2

от 30˚ до 75˚ с шагом 0,1˚ и временем экспозиции в каждой точке 40 с. Исследовали образцы размерами 15×10 мм на кварцевых и кремниевых подложках.

В качестве эталона использовали исходный порошок селенида и сульфида цинка.

Обработку результатов вели по программе PROFILE, предназначенной для обработки профиля рентгеновской линии, записанной в режиме пошагового сканирования с постоянным временем счёта в точке.

64