Рентгеновская дифрактометрия

Рентгеновская дифрактометрия (РД) — метод исследования структуры кристаллов и тонких пленок на основе дифракции рентгеновских лучей, возникающей при взаимодействии с упорядоченной атомной решеткой вещества. Метод позволяет получать информацию о кристаллической структуре, параметрах решетки, степени кристалличности, ориентации зерен и толщине тонких пленок.

Рентгеновское излучение характеризуется длинами волн порядка атомных межатомных расстояний (0.1–0.2 нм), что обеспечивает соответствие масштабов и возможность изучения кристаллических структур с помощью дифракции.

Основы теории дифракции рентгеновских лучей

В основе анализа лежит условие Брэгга, которое описывает условие конструктивной интерференции рентгеновских волн, рассеянных от параллельных атомных плоскостей:

2dsin θ = nλ,

где:

d — межплоскостное расстояние,
θ — угол падения рентгеновского луча на плоскость,
n — порядок дифракции (целое число),
λ — длина волны рентгеновского излучения.

Условие Брэгга позволяет определить параметры кристаллической решетки, измеряя углы дифракционных максимумов.

Конфигурации рентгеновской дифрактометрии

Для исследования тонких пленок и поверхностей применяют несколько основных схем:

θ–2θ сканирование — классический режим, при котором источник рентгеновского излучения и детектор одновременно меняют угол сдвига: источник поворачивается на угол θ, детектор — на 2θ. Позволяет получить дифрактограмму с максимами, соответствующими плоскостям вглубь образца.
Глазковая (rocking curve) кривая — при фиксированном угле 2θ изменяется угол падения θ, что позволяет оценить степень ориентации и кристаллографические дефекты.
Горизонтальное (гребенчатое) сканирование (ω-сечение) — используется для исследования текстуры и ориентации зерен.
Отражательная рентгеновская дифракция (GIXRD, grazing incidence XRD) — применяется для тонких пленок, где рентгеновский луч падает под очень малым углом, что увеличивает чувствительность к поверхности и тонким слоям.

Спектр и источники рентгеновского излучения

Для РД используют рентгеновские трубки с катодом из металлов, характерных длин волн которых достаточно стабильны (например, Cu Kα с λ = 1.5406 Å). Современные дифрактометры могут использовать также синхротронное излучение, обеспечивающее высокую интенсивность и монохроматичность.

Анализ дифракционной картины

Дифрактограмма — график зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла 2θ. Основные элементы анализа:

Пики дифракции — соответствуют различным плоскостям решетки; их положение определяется межплоскостными расстояниями.
Интенсивность пиков — зависит от типа атомов, кристаллографической ориентации и степени упорядоченности.
Ширина пиков — связана с размером кристаллитов и микродефектами; для оценки размера зерен часто используется формула Шеррера:

$$ L = \frac{K \lambda}{\beta \cos \theta}, $$

где L — характерный размер кристаллитов, β — ширина пика на половине максимума в радианах, K — константа порядка 0.9.

Сдвиг пиков — указывает на изменение параметров решетки (деформации, напряжения).

Особенности рентгеновской дифрактометрии тонких пленок

При изучении тонких пленок появляются дополнительные нюансы:

Малый объем образца — требует высокой чувствительности и использования отражательной геометрии.
Эффект интерференции — в тонких пленках наблюдаются интерференционные колебания (фринги), позволяющие оценить толщину слоя с точностью до нанометров.
Анизотропия и текстура — пленки часто имеют ориентированную кристаллическую структуру, что отражается на интенсивности и форме дифракционных пиков.
Напряжения и деформации — возникают из-за разницы тепловых расширений и роста пленки на подложке; влияют на параметры решетки и, следовательно, на сдвиги дифракционных максимумов.

Методы количественного анализа и обработки данных

Для анализа данных применяют:

Рефлектометрия — для определения толщины и плотности тонких пленок.
Резонансная дифракция — исследование по энергии излучения для выделения информации об отдельных элементах.
Реконструкция электронного плотностного профиля — по отражательной кривой с использованием методов обратного распространения.
Пакеты программ для обработки — такие как FullProf, GSAS, TOPAS, позволяющие выполнять фазовый и структурный анализ, расчет текстуры и кристаллографической ориентации.

Примеры применения рентгеновской дифрактометрии

Изучение структурных фаз и фазовых переходов в тонких пленках.
Контроль качества эпитаксиальных слоев и определение степени упорядоченности.
Измерение толщины, плотности и шероховатости пленок.
Исследование внутренних напряжений и деформаций, вызванных технологическими процессами.
Анализ состава многослойных структур и гетеропереходов.

Влияние параметров измерения на результаты

Ширина рентгеновского пучка — влияет на разрешение и интенсивность.
Стабильность и монохроматичность излучения — важны для точности определения позиций пиков.
Качество поверхности и подложки — влияет на фоновый сигнал и интерференционные эффекты.
Температура и окружающие условия — могут влиять на структуру и параметры решетки.

Современные направления и разработки

Использование синхротронного излучения для повышения разрешения и времени измерений.
Комбинация РД с другими методами (например, электронная микроскопия, спектроскопия) для комплексного анализа структуры.
Разработка методов анализа с учетом микроструктуры и дефектов.
Автоматизация и машинное обучение для обработки больших массивов данных и распознавания фаз.

Рентгеновская дифрактометрия остается незаменимым инструментом для исследования поверхности и тонких пленок в современной физике материалов, обеспечивая детальную информацию о микроструктуре и физико-химических свойствах образцов.