[发明专利]薄膜取向结晶生长的X射线衍射原位表征方法

说明书

本发明公开了一种薄膜取向结晶生长的X射线衍射原位表征方法，首先采用对称反射扫描方式测量薄膜的面外衍射峰位置，确认薄膜的面外取向特征；然后基于初始原胞参数，在预测方位附近，采用非对称反射扫描方式获取一组晶面与衬底形成倾斜夹角的晶面组的衍射峰位置；基于初始原胞参数，计算测量所得衍射峰位置与预测值之间的差距δ，通过修正晶格参数和循环迭代计算不断减小δ直到足够小，从而获得更准确的晶格参数信息。本发明采用计算机辅助的计算方式，可以在几秒钟的时间内获得足够高的分析精度，其输出数据可以直接作为下一个测量周期的输入值，因此可以形成一个高速的动态测量分析系统。

技术领域

本发明涉及一种薄膜取向结晶生长的X射线衍射原位表征方法，属于薄膜晶相结构表征技术领域。

背景技术

采用溶液法制备的薄膜，尤其是取向生长的薄膜，通常呈现面外或面内的取向生长行为。例如采用提拉法薄膜制备技术通过溶胶凝胶前体制备的氧化锌薄膜可以表现出(001)或(100)方向的面外择优取向。在有机材料中，这种取向生长更为普遍，而且可以通过分子结构设计，结合溶剂选择与衬底修饰等工艺技术手段实现对晶格结构的控制和调节。特别是共轭有机小分子，可以简单地通过控制其生长速度或者采用不同的有机溶剂制备获得具有不同晶格参数的薄膜，从而表现出不同的半导体特性。小分子有机半导体通常具有刚性分子构型，容易通过溶液法工艺形成高度结晶的取向薄膜，即使是同一种分子结构，其晶格参数，分子排列和电学性能均具有很大的可塑性。

从电子能态的角度来看，与无机半导体材料的共价键结合方式不同，共轭有机分子之间依靠较弱的范德瓦尔斯力形成结晶，因而有机材料的电子态通常被描绘成高度定域的分子轨道，这与无机半导体电子态的能带结构有本质差别。但是在应力作用下，薄膜中的分子间距离会发生明显变化，从而导致性能的根本改变，比如在分子的共轭面间距足够小的情况下，其电子能态可表现出能带特性。

基于以上分析，取向生长的薄膜，尤其是以共轭有机小分子为代表的有机半导体材料，薄膜性能与晶格参数是密切相关的。对于薄膜晶格结构的表征是进行薄膜材料性能研究的基本手段。

现有对于薄膜材料的晶相结构的表征方法，主要有X射线衍射分析法(XRD)及透射电子显微镜(TEM)等。其中，TEM对薄膜厚度要求十分严格，不适用于厚度较厚的薄膜。而XRD技术可对薄膜进行微米级的表层分析，通过分析其衍射图谱，可获得薄膜内部材料的成分、分子结构、形态等多种信息。目前X线衍射已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法，其方法包括对称面外XRD和非对称面外XRD(薄膜XRD)，面内薄膜XRD，掠入射XRD等。其中，对称面外XRD的测试方法入射角较大，可探测的薄膜厚度较厚，但是其无法获取薄膜面内的取向信息。而面内XRD则是获取面内取向信息的重要手段，然而其对薄膜探测深度不够，而且需要预知薄膜的外全反射角(θ_c)，该测试对光学系统的精度以及样品的定位要求较高。因此，急需一种简单、快速的测试方法来获取厚度不受约束的具有面外取向特征的薄膜的面内取向信息。

发明内容

现有技术存在的问题：电子衍射要求样品足够薄，往往需要复杂的样品制备程序，不能原位表征，表征时间长；采用同步辐射X射线面内衍射技术，具有表面灵敏的优点，但是探测深度不足，并且需要预先获取薄膜的外全反射角(θ_c)；对光学系统的精度和样品的定位精度要求高；基于上述问题，本发明提供一种薄膜取向结晶生长的X射线衍射原位表征方法。

本发明采用的技术方案是：

一种薄膜取向结晶生长的X射线衍射原位表征方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先采用对称反射扫描方式测量薄膜的面外衍射峰位置，确认薄膜的面外取向特征，对称反射扫描方式即2θ/θ扫描方式；

(2)然后基于初始原胞参数，在预测方位附近，采用非对称反射扫描方式获取一组晶面与衬底形成倾斜夹角的晶面组的衍射峰位置，非对称反射扫描方式即2θ扫描；