一種測定晶體取向及其分布的簡便XRD方法_圖文

1、第17卷第3期 2002年5月無機(jī)材料學(xué)報(bào)Journal of Inorganic MaterialsVol 17No 3、la,2002文章編號:1000324X(200203-046005一種測定晶體取向及其分布的簡便XRD方法郭振琪1,付 濤2,王 寧1,傅恒志3:1西北大學(xué)分析測試研究中o,西安710069;2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049;3.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710072摘要:提出了旋轉(zhuǎn)定向測試法,其原理是使試樣在粉柬x射線衍射儀上進(jìn)行0掃描的同時(shí) 繞其端面法線自轉(zhuǎn),增加了晶面法線通過衍射平面的機(jī)會(huì)通過這種方法可直觀地區(qū)分取向多

2、晶、準(zhǔn)單晶或者單晶體.評定研制過程中準(zhǔn)單晶和擇優(yōu)取向材料的晶體品質(zhì)t確定單品、準(zhǔn)單 晶及擇優(yōu)取向等材料的晶面相對宏觀端面的晶向偏離角和取向分散度,還可對單晶體材料進(jìn)行 三維晶面定向.旋轉(zhuǎn)定向法測試晶體取向具有快速簡便、一機(jī)多用、精度高等優(yōu)點(diǎn),在電子、 光學(xué)、磁性,機(jī)械等材料研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.關(guān)鍵詞:晶體材料j晶體取向J x射線衍射中圉分類號:O 722文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言本文提出的旋轉(zhuǎn)定向XRD測試法,是在普通粉末x射線衍射儀(日本理學(xué)公司,D/max一 3C型上,使試樣在0掃描的同時(shí)繞端面法線自轉(zhuǎn),增加了晶面法線通過衍射平面的機(jī)會(huì), 收穡日期:20010514.收到任改稿日期:2001

3、0614作者簡升:郭振琪(1944一,男.副教授 E-mail:guozqnwu edu cn3期 郭振琪,等:一種測定晶體取向及其分布的簡便XRD方法461從而測定了取向多晶、單晶、準(zhǔn)單晶及擇優(yōu)取向材料的晶體取向及其分布,并可方便地對 各種晶體形式進(jìn)行分析和評價(jià).00圖1NdzFe-4B超強(qiáng)磁鋼I.塊體和II一粉末(a常規(guī)衍射譜和(b(006晶面的旋轉(zhuǎn)定向法衍射譜 Fig 1(aConventional XRD patterns and(bRO-XRD patterns of(006plane of a Nd2FeIB specimen:I-block;IIpowder of the blo

4、ck(200was fixed at 4450。ln(b2方法與原理旋轉(zhuǎn)定向法需要知道被研究材料的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)(物相結(jié)構(gòu),這可通過查標(biāo)準(zhǔn)XRD卡 片或者對該材料的無取向試樣進(jìn)行常規(guī)衍射測出某一晶面的衍射角(如固溶體還需要有 一個(gè)能讓樣品繞其端面法線自轉(zhuǎn)的裝置,這可使用衍射儀配置的試樣旋轉(zhuǎn)臺.圖2碳纖維(a平行和(b垂直軸線方向的 常規(guī)衍射譜Fig 2Conventional XRD patterns of the car bon fiber:(aparallel to and(bperpendicular tothe axle漲 02蜘州。sourceo.F 7,脊旦, 瓤20,Derecto

5、r圖3旋轉(zhuǎn)定向法的衍射原理圖Fig 3Principle diagram of the Rotating spec iraen for determining crystal Orientation XRD (ROXRDmethod圖3為這種方法的衍射原理圖,探頭固定于某晶面的衍射角200處(口。為該晶面的布 拉格角,試樣裝在旋轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行0掃描(0<0<200的同時(shí),繞其端面法線以較快的速度 自轉(zhuǎn),使晶面的法線有多次機(jī)會(huì)通過衍射平面,這樣固定于2如處的探頭就可以接收到該 462無饑材料學(xué)報(bào)晶面的衍射線.該晶面除了從常規(guī)衍射峰中選擇,還可從工藝或性質(zhì)卜關(guān)心的晶面考慮, 或者從晶面指數(shù)

6、低的到高的晶面逐個(gè)嘗試.只有晶面與端面的夾角,即晶向偏離角p滿足 。墨0<00,探頭才有可能接收到衍射線.若晶面分別在0-和目2產(chǎn)生最強(qiáng)衍射峰、它的晶向 偏離角=(目201/2,而02-6=01+=口o,故該晶面的布拉格角eo=(口2+plj/2當(dāng)該晶面與端面 重臺時(shí),=o,目z=目1,只出現(xiàn)一個(gè)衍射峰.旋轉(zhuǎn)定向法的衍射圖把各種晶體取向的細(xì)節(jié)連續(xù)地顯示出來.提供了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 若干信息.在材料分析和研究中有以下幾個(gè)用途,3應(yīng)用與實(shí)例3.1衍射圈可作為判定單晶、準(zhǔn)單晶和取向多晶的依據(jù)采用旋轉(zhuǎn)定向法,單晶、準(zhǔn)單晶或其中的晶粒較大時(shí),因試樣自轉(zhuǎn)和多次衍射,在最 強(qiáng)峰日l和0。左右會(huì)出現(xiàn)帶有階

7、梯線的衍射圖(圖4.隨機(jī)取向多晶或粉末的衍射線是以目。 為中心,衍射強(qiáng)度逐漸衰減的連續(xù)曲線.取向性的多晶體,如果晶粒細(xì)小.也不會(huì)出現(xiàn)階 梯線.這些特征可用于判斷材料是多晶、單晶還是準(zhǔn)單晶.囹1(b中的塊體是有取向的多 晶,但晶粒細(xì)小,而其粉末是隨機(jī)取向的多晶.圖4所示的材料應(yīng)是準(zhǔn)單晶,因?yàn)殡A梯線F 方還存在多晶成分造成的弱衍射峰.對于取向性材料,幾種取向?qū)?yīng)幾對高斯分布階梯包 絡(luò)線.圖5所示的定向凝固的銅柱晶在金相顯微鏡上看起來是單晶,但實(shí)際上是含有兩個(gè) 主要取向的晶體.圖4定向凝固sb一5%B1臺金(012晶面的旋轉(zhuǎn)定向法衍射圖Fig 4ROXRD pattern of Sb-5%Bi(01

8、21plane Testing condition:CuKa 3fikV 10mA,fixing 200=2850。;Result:01=1066。,0r=18080,妒=37。, FWHM=24。 圖5定向凝固銅柱晶(200的ROXRD罔 Fig 5ROXRD pattern of(200plane of the directionally solidified Cu columnarTest conditions:CuKo 35kV 10mA.fixing2氏=50420旋轉(zhuǎn)定向法還可用以區(qū)分單晶和取向多晶薄膜.用化學(xué)氣相沉積、離子濺射、分了I柬 外延等各種方法制備的半導(dǎo)體薄膜(SiC、Z

9、nO、GaAs、金剛石等,由于不同晶面的生長 速度不同,經(jīng)過一段過渡層后,有可能某種晶面擇優(yōu)生長,覆蓋整個(gè)宏觀表面.這些試樣 如果用常規(guī)衍射確實(shí)只收到一種晶面的衍射峰,并不能說明生長的是單晶膜.圖6中的試 樣(a、(b常規(guī)衍射時(shí)只收到(001晶面的二級、四級衍射峰,但旋轉(zhuǎn)定向法的衍射譜則 表明它們都是取向性的多晶體,而(a樣含有取向分散的大晶體,(b祥的晶粒較為細(xì)小, 3.2從衍射圖上可以確定擇優(yōu)取向晶體、準(zhǔn)單晶和單晶的取向偏離度與分散度3期 郭振琪,等:一種測定晶體取向及其分布的簡便XRD方法463上述晶體材料的取向偏離度可用晶向偏離角表示,取向分散度則用晶向偏離角口的 變化區(qū)間,即衍射圖上

10、階梯包絡(luò)線的半高寬(FWHM表示對單晶品質(zhì)較好的寶石單晶!】 和某些金屬單晶(圖7,和FWHM這兩項(xiàng)指標(biāo)可明確地顯示在圖上;對于取向性分散的晶 體(圖6這兩項(xiàng)指標(biāo)的意義不很明顯.還發(fā)現(xiàn),即使圖7所示品質(zhì)較好的單晶,其衍射峰局 部放大后仍有許多對高斯分布階梯線,這與晶體中的缺陷有關(guān).這種方法適合任何晶系結(jié)構(gòu)和大小不同的空間偏離角.而半導(dǎo)體材料研究中的cosncosJ=cos方法%是通過測出方位角。和口而間接計(jì)算出,該方法在偏離角較大時(shí),因探頭不 能收到衍射線而失效.00010002000003500e/(。 圖6硅基體上兩種離子濺射ZnO薄膜(002峰的旋轉(zhuǎn)定向法衍射圖Fig6ROXILD pa

11、tterns of(002peak of two ZnO films on silicon substrate by ion beam sputtering Test conditions:CuKa 35kV 20mA,fixing 200=34400250K J l JL O 001000200030oo 40005000o/(。圖7鎳基DD3高溫合金(200晶面的旋轉(zhuǎn) 定向法衍射圖 Fig,7RO-XRD pattern of(200plane of Ni based DD3alloyTesting condition:CuKa 35kV 5mA,lixing200=508。 Result

12、。01=2100。02-2990。 6=445。FWHM=12。 3.3采用旋轉(zhuǎn)定向法可以對宏觀單晶體進(jìn)行三維定向?qū)τ诰哂幸欢ê暧^尺寸的單晶體.在三維表面任一端面定出某晶面的空間偏離角0后, 把探頭固定于2日。處,試樣轉(zhuǎn)到日l(或02位置,僅使試樣繞其端面法線慢速自轉(zhuǎn),找出衍射 線最大位置,此位置便是晶面法線在端面上的投影線,在此位置垂直衍射平面切割,使切 割面和端面在衍射平面內(nèi)的交角為+(或一,如圖3,則可切出該晶面,再對另外二維端面 進(jìn)行取向測量,找出晶面的晶向偏離角.如果這些晶面的晶向關(guān)系符合該晶體晶系的晶向 夾角關(guān)系,則該宏觀晶體是單晶體,據(jù)此可以求出宏觀晶體坐標(biāo)系和內(nèi)部晶體點(diǎn)陣坐標(biāo)系

13、 之間的幾何關(guān)系并可裁出宏觀表面和微觀晶面一致的單晶體.作者曾把鎳基DD3高溫合金單晶(立方晶系裁為6mmx6mmx6mm塊狀晶體,再用旋 轉(zhuǎn)定向法檢驗(yàn),晶向偏離角已經(jīng)很小.由于衍射儀本身精度很高,對單晶品質(zhì)很好的nA1zO。 寶石單晶進(jìn)行測量,經(jīng)過透射電鏡菊池線掃描驗(yàn)證,其晶向偏離角的誤差僅為0.2。 4結(jié)論i.旋轉(zhuǎn)定向法可在粉末x射線衍射儀上區(qū)分多晶、取向多晶、準(zhǔn)單晶或者宏觀單晶 體.可以直觀地評價(jià)準(zhǔn)單晶和擇優(yōu)取向材料的晶體品質(zhì)其0掃描衍射圖能把各種材料的 o 望 舌%5量464無機(jī)材料學(xué)報(bào)晶體取向分布細(xì)節(jié)展現(xiàn)在一張圖上,可測定單晶、準(zhǔn)單晶和擇優(yōu)取向材料的晶體取向偏離 角及其取向分散度,從

14、而可對單晶體材料進(jìn)行三維定向2.這種方法具有快速簡便、應(yīng)用廣、多功能、精度高等優(yōu)點(diǎn).在電子、光學(xué)、磁性等功 能材料及工程材料的定向凝固、單晶生長.薄膜制備等研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用參考文獻(xiàn)1】張克從,張樂惠晶體生長科學(xué)與技術(shù)下冊,科學(xué)出版社,199749019212】馬勝利,郭振琪,等.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),1996,12(4:303306【3ASTM標(biāo)準(zhǔn)一F2666,Part 8,19714J4何 國.郭振琪,等.材料工程,1993,(2:3840A Simple XRD Method for Determining Crystal Orientation and Its DistributionG

15、UO Zhenqil FU Ta02,WANG Nin91.FU HengZhi3(1Instrumental Analysis Research Center,Northwest University,Shanxi 710069China2State Ke3 Laboratory forMechanical Behavior of Materials,Xianiaotong University,XiaIl 710049China:3State Key Laboraty of Solidification Processing,Northwest Polytechnical Universi

16、ty,Xian 710072China Abstract:The principle of Rotating specimen for determining crystal Orientation XRD(RO XRDtesting method presented in this paper is rotating the specimen along its surface normal axle during the 0scanning to increase the chances for the normal axle of a crystal plane to cross the

17、 diffraction plane on a powder Xray diffractionmeter Orientated p0137crystal,quasisingle cr3stal or single-crystal materials can be easily distinguished,and the crystal quality of quasi singleand orientated crystal materials in processing can be picturesquely assessed by this method The deviation an

18、gle of the crystal plane from the macro surface and the scattering degree of tile crystal orientationof single crystal,quasi single crystal and orientated crystal materials can be measured,which makes it possible to define the three dimensional crystal plane directions of a single crystal material by this method T