[發明專利]薄膜取向結晶生長的X射線衍射原位表征方法

有效

• 申請號: 201710301167.5
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107085003B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 王向華;顧勛
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01N23/207
• 分類號: G01N23/207
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

本發明公開了一種薄膜取向結晶生長的X射線衍射原位表征方法，首先采用對稱反射掃描方式測量薄膜的面外衍射峰位置，確認薄膜的面外取向特征；然后基于初始原胞參數，在預測方位附近，采用非對稱反射掃描方式獲取一組晶面與襯底形成傾斜夾角的晶面組的衍射峰位置；基于初始原胞參數，計算測量所得衍射峰位置與預測值之間的差距δ，通過修正晶格參數和循環迭代計算不斷減小δ直到足夠小，從而獲得更準確的晶格參數信息。本發明采用計算機輔助的計算方式，可以在幾秒鐘的時間內獲得足夠高的分析精度，其輸出數據可以直接作為下一個測量周期的輸入值，因此可以形成一個高速的動態測量分析系統。

技術領域

本發明涉及一種薄膜取向結晶生長的X射線衍射原位表征方法，屬于薄膜晶相結構表征技術領域。

背景技術

采用溶液法制備的薄膜，尤其是取向生長的薄膜，通常呈現面外或面內的取向生長行為。例如采用提拉法薄膜制備技術通過溶膠凝膠前體制備的氧化鋅薄膜可以表現出(001)或(100)方向的面外擇優取向。在有機材料中，這種取向生長更為普遍，而且可以通過分子結構設計，結合溶劑選擇與襯底修飾等工藝技術手段實現對晶格結構的控制和調節。特別是共軛有機小分子，可以簡單地通過控制其生長速度或者采用不同的有機溶劑制備獲得具有不同晶格參數的薄膜，從而表現出不同的半導體特性。小分子有機半導體通常具有剛性分子構型，容易通過溶液法工藝形成高度結晶的取向薄膜，即使是同一種分子結構，其晶格參數，分子排列和電學性能均具有很大的可塑性。

從電子能態的角度來看，與無機半導體材料的共價鍵結合方式不同，共軛有機分子之間依靠較弱的范德瓦爾斯力形成結晶，因而有機材料的電子態通常被描繪成高度定域的分子軌道，這與無機半導體電子態的能帶結構有本質差別。但是在應力作用下，薄膜中的分子間距離會發生明顯變化，從而導致性能的根本改變，比如在分子的共軛面間距足夠小的情況下，其電子能態可表現出能帶特性。

基于以上分析，取向生長的薄膜，尤其是以共軛有機小分子為代表的有機半導體材料，薄膜性能與晶格參數是密切相關的。對于薄膜晶格結構的表征是進行薄膜材料性能研究的基本手段。

現有對于薄膜材料的晶相結構的表征方法，主要有X射線衍射分析法(XRD)及透射電子顯微鏡(TEM)等。其中，TEM對薄膜厚度要求十分嚴格，不適用于厚度較厚的薄膜。而XRD技術可對薄膜進行微米級的表層分析，通過分析其衍射圖譜，可獲得薄膜內部材料的成分、分子結構、形態等多種信息。目前X線衍射已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法，其方法包括對稱面外XRD和非對稱面外XRD(薄膜XRD)，面內薄膜XRD，掠入射XRD等。其中，對稱面外XRD的測試方法入射角較大，可探測的薄膜厚度較厚，但是其無法獲取薄膜面內的取向信息。而面內XRD則是獲取面內取向信息的重要手段，然而其對薄膜探測深度不夠，而且需要預知薄膜的外全反射角(θ_c)，該測試對光學系統的精度以及樣品的定位要求較高。因此，急需一種簡單、快速的測試方法來獲取厚度不受約束的具有面外取向特征的薄膜的面內取向信息。

發明內容

現有技術存在的問題：電子衍射要求樣品足夠薄，往往需要復雜的樣品制備程序，不能原位表征，表征時間長；采用同步輻射X射線面內衍射技術，具有表面靈敏的優點，但是探測深度不足，并且需要預先獲取薄膜的外全反射角(θ_c)；對光學系統的精度和樣品的定位精度要求高；基于上述問題，本發明提供一種薄膜取向結晶生長的X射線衍射原位表征方法。

本發明采用的技術方案是：

一種薄膜取向結晶生長的X射線衍射原位表征方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)首先采用對稱反射掃描方式測量薄膜的面外衍射峰位置，確認薄膜的面外取向特征，對稱反射掃描方式即2θ/θ掃描方式；

(2)然后基于初始原胞參數，在預測方位附近，采用非對稱反射掃描方式獲取一組晶面與襯底形成傾斜夾角的晶面組的衍射峰位置，非對稱反射掃描方式即2θ掃描；