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薄膜结构X射线表征1.ppt

薄膜结构X射线表征1

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2013-08-09 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《薄膜结构X射线表征1ppt》,可适用于高等教育领域

薄膜结构X射线表征麦振洪中国科学院物理研究所zhmaiaphyiphyaccn一    薄膜结构完美性表征的重要性二    薄膜制备方法三    表征薄膜结构X射线技术 X射线衍射双轴晶X射线衍射X射线反射率掠入射衍射X射线漫散射X射线反射形貌应用实例参考资料梁敬魁《粉末衍射法测定晶体结构》科学出版社,马礼敦《近代X射线多晶体衍射》,化工出版社盛篪、蒋最敏、陆肪、黄大鸣《硅锗超晶格及低维量子结构》,上海科学技术出版社莫志深、张宏放《晶态聚合物结构和X射线衍射》科学出版社,胡家璁《高分子X射线学》科学出版社,麦振洪《薄膜结构X射线表征》科学出版社麦振洪《同步辐射光源及其应用》科学出版社MaizhenhonhetalPhysRevB()麦振洪“高分辨X射线双晶衍射技术在半导体薄膜材料中的研究”物理()崔树范“掠入射X射线衍射在表面、界面和薄膜材料结构研究中的应用”物理()麦振洪“X射线三晶衍射及其应用”物理()麦振洪“低维材料的X射线衍射”物理(),麦振洪吴畏“X射线驻波及其应用”物理()麦振洪“同步辐射光年”物理()薄膜结构X射线表征第一篇基本实验装置第一章实验装置基本单元X射线源X射线产生和X射线谱封闭式X射线管同步辐射光源X射线准直和单色化狭缝双晶单色器多晶单色器X射线探测器计数器位敏探测器面探测器第二章薄膜X射线衍射仪高分辨共面X射线衍射装置掠入射衍射装置测量分辨率的分析第三章表面界面X射线散射固体表面界面X射线反射和漫散射装置液体表面界面X射线反射和散射装置第二篇基本理论第四章X射线衍射运动学理论引言X射线衍射几何劳厄方程布拉格方程倒易点阵倒易点阵定义色散面Ewald球衍射极限球布拉格方程与劳厄方程互推算X射线衍射强度单电子散射原子散射因子结构因子薄晶体衍射强度第五章金属多层膜的X射线衍射运动学理论成分混合合金化的多层膜ABN多层膜第六章X射线衍射动力学理论(一)完美晶体引言完美晶体中X射线波动方程双光束近似色散面劳厄几何晶体内波场振辐布拉格几何晶体内波场振辐无吸收晶体的反射率有吸收晶体的反射率双晶衍射摇摆曲线的理论计算第七章X射线衍射动力学理论(二)畸变晶体前言晶体中的调制波高木方程高木方程的Taupin形式多层膜结构的X射线双轴晶摇摆曲线计算概述外延材料反射率的X射线衍射动力学理论解迭代公式中参数的计算外延层的点阵参数与四方畸变结构因子几何参数应变弛豫超晶格的X射线双轴晶摇摆曲线计算弛豫机制与应变分布取向差与峰形展宽取向差衍射峰形的展宽第八章X射线异常衍射精细结构(DAFS)理论没有周期调制的多层膜ABn多层膜实验方法DAFS谱线的分析方法第九章X射线掠入射衍射理论概述X射线掠入射衍射准运动学理论畸变波玻恩近似(DWBA)畸变波玻恩近似下薄膜材料的掠入射衍射理论掠入射衍射的应用X射线界面反射和漫散射理论第十章X射线界面反射和漫散射理论X射线镜面反射粗糙表面的散射(一)Born近似粗糙表面的散射(二)DWBA理论多层膜的DWBA散射理论界面起伏的关联函数表面关联函数自仿射(selfaffine)关联多层膜界面之间的关联第三篇薄膜和多层膜微结构表征第十一章单层膜和多层膜厚度单层膜和多层膜共面X射线衍射埋层的探测高分辨X射线衍射X射线镜面反射第十二章外延膜的点阵参数、应力与组分共面X射线双轴晶衍射薄膜残余应力检测的X射线Mapping技术掠入射衍射第十三章薄膜表面与界面X射线镜面反射氧化物薄膜界面磁性金属多层膜界面BaTiOPt界面的“deadlayer”X射线漫散射ZnTeZnSxTex超晶格中的生长台阶长周期BeTeZnSe超晶格界面台阶上的无规起伏短周期BeTeZnSe超晶格界面的化学键X射线异常衍射精细结构埋层量子线在金属多层膜中的应用第十四章横向调制结构表面栅格结构横向成份调制结构量子线结构量子点结构原子有序结构第十五章外延膜中缺陷倒易空间X射线散射强度分布(Mapping)应变弛豫晶格失配应变成份梯度应变失配位错位错的X射线漫散射低密度位错高密度位错X射线反射形貌术BergBarrett反射形貌术双轴晶形貌术第十六章软物质薄膜与界面液体薄膜与界面实验方法液体薄膜固液界面的磷脂多层膜磷脂多层膜结构的X射线散射研究磷脂多层膜的溶涨表面活性剂多层膜水对硬脂酸膜界面起伏的影响LB膜的界面粗糙化与生长动力学一、    薄膜结构完美性表征的重要性低维材料的出现是二十世纪材料科学发展的一个重要标志。它所表现出的强劲学科生命力不仅是因为它不断揭示深刻的物理内涵推动凝聚态物理的发展。而且更重要的是它所发现新的物理现象、物理效应源源不断地被用来开发具有新原理、新结构并具有特殊性能的纳米结构器件。薄膜材料是重要的纳米材料。纳米材料的特征:尺寸效应、表面效应和量子效应。薄膜材料在国民经济、国家安全和人民生活各领域有着重要的应用。绝缘体A绝缘体B绝缘体A绝缘体B绝缘体?Reyren,etal,Science随LaAlO厚度变化出现界面金属性和超导电性。SuperconductingInterfacesa一tInsulatingOxidesLaAlOSrTiO从分子到薄膜ZnPc薄膜的吸收光谱展得很宽而且没有测到荧光。从这点就能判定ZnPc激发态的性质在形成薄膜时发生了巨大的变化。随着薄膜制备技术的发展应用特殊的生长技术如分子束外延(MBE)、金属有机气相淀积外延(MOVPE)氢化物气相外延(HVPE)等技术可以实现精度达到一个原子层甚至半个原子层的逐层生长和剪裁。使人们可以根据需要设计、生长和制备具有特殊能带结构的半导体薄膜材料和器件大大促进了微电子学和光电子学的发展。结构完美的半导体异质结、量子阱和超晶格以及量子点等材料的出现为发现量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子尺寸效应以及单电子隧穿效应等新的物理效应提供了基础材料。大量研究表明半导体外延薄膜的结构参数和生长参数会直接影响材料的完美性和性能。例如晶格大失配的材料只有外延膜厚度小于临界厚度时才有可能实现共格外延。如果外延膜厚度增加将在界面上产生失配位错以降低系统的应变能。另外界面上成分互扩散和应力弛豫导致的“岛”都会使界面变差。外延薄膜材料各层的成分、厚度、应力分布以及表面、界面状态等局部变化都会影响器件的微电子和光电子性能。半导体外延膜、量子阱及量子点等材料微结构的X射线表征可以在介观或纳米尺度给出各层成分、厚度、界面起伏的局部波动。铁磁非铁磁金属多层膜层间耦合效应和巨磁电阻效应的发现成为新一代磁记录材料和读写磁头的源动力开拓了自旋电子学领域。ExchangeCoupling()GMR()PGrunberg,RschreiberYPang,MBBrodskyandHSowersPhysRevLeet()MNBaibich,JMBrote,AFert,FNgnyenVanDan,FPetroff,PEitenne,GGrenzet,AFiederichandJChazelas,PhysRevLett()年度诺贝尔物理学奖铁磁非铁磁金属多层膜通常采用磁控溅射技术来制备。与分子束外延技术相比磁控溅射技术的薄膜生长是远离热力学平衡区而且生长速率高因此生长的薄膜的结构完美性远不如分子束外延生长的好。大量研究表明:铁磁非铁磁金属多层膜各层厚度、界面粗糙度、界面成分扩散、应力状态和磁畴结构等因素直接影响多层膜材料的磁学性质。因此在原子尺度上对多层膜微结构进行表征十分重要因为它可以对优化生长条件、改善材料性能给予科学依据。薄膜材料包括单层膜和多层膜材料无损检测对薄膜材料结构研究是重要的。作为表征薄膜材料结构的扫描探针技术X射线衍射和散射等技术有其特别的优点它可以无损检测单层膜或多层膜内部结构、界面状况以及纵向和横向的共格程度。CharacterizationtechniqueXRDTEMSTMXRDisamethodwithNondestructiveNoncontactingHighsensitivePredictorsofdeviceperformance对薄膜X射线衍射和散射实验数据进行理论模拟可以得到薄膜内部微结构的详细信息为研究薄膜的生长机制优化生长条件改善薄膜性能提供科学依据是薄膜材料过程控制和基础研究的一个重要内容。同步辐射是二十世纪七十年代出现的新型X射线源它具有高亮度、宽频谱、高偏振度和高时间分辨等优点成为X射线分析技术的重要光源。许多应用常规X射线光源无法进行的实验可以在同步辐射装置的相关实验站得以实现。这是一个发展很快、令人注目的领域我们期望同步辐射源的利用和发展将使薄膜结构表征进入更高的水平。同步辐射的波长(或能量)分布是连续的宽的能谱范围♠很适合用来研究固体、分子和生物体的结构。♠适合于检测上述电子及其化学键的性质很高的亮度感光时间可研究动态LightSourceBrightness(Brilliance)ordersofmagnitude!:massrestmassHighlycollimatedsourcehalfangle,~E(GeV)准直性好亮度很高特定的偏振特性特定的脉冲结构实验站:wwwihepaccnBEPC国家实验室同步辐射实验室能量:MeV实验站:http:wwwnsrlustceducnSSRFGev实验站:台湾新竹SSRCGev在现有台湾光源上新建一台GeV同步辐射光源二薄膜制备方法物理方法蒸发、直流溅射、高频溅射、离子束溅射、射频溅射、分子束外延、激光脉冲沉积……化学方法各种化学气相沉积(如CVD、MOCVD……)、Solgel、电化学沉积、LB……物理方法发展趋势采用多元共沉积技术制备多组元多层薄膜实现对多组元的组分和微结构的精确控制先进的半导体沉积技术引入其他多层膜制备薄膜制备装置配备髙精度分析检测仪器实现薄膜生长过程原位分析与监控薄膜结构表征的困难超薄膜系统原子水平的探测技术多层膜结构新的分析理论不完美性、低取向性新的探测技术和分析理论三 表征薄膜结构X射线技术DiscoveryofXray•NovWKRontgenPhysicalInstitute,UniversityofWurzburg•DechandofFrauRontgen•DecFirstpaper“EineNeueArtvonStrahlen”“一种新的射线初步报告”维茨堡物理学医学会会刊•Jan“XraydiscoveredbyRontgen”维也纳新闻报•JanAlbervonKollikersuggestedRontgenrayFirstNobelprizeforPhysicsyaerstensNobelprizewinnersXrayDiffraction•WaxVonLaueXraydiffractionpatternofCuSLaueEquation•Xrayhaswavebehaviour•Periodicityofcrystallattices“Perfecestexperimentsinphysics”NobelprizeforPhysics•WHBraggWLBraggDeterminationofthecrystalstructuresofNaClandZnSBraggLawCrystalstructureanalysisXrayspectroscopyNobelprizeforphysics•Highanglediffraction(HXRD)Sensitiveto•crystallinelayerperfectionProvidescrystalstructuregrainsize……高角度X射线衍射测量角度范围大对薄膜的结晶性和膜结构完美性敏感反映多层膜的结构相关性、垂直于膜面的平均晶格常数、晶粒大小以及多层膜子层的应变调制情况等。解谱应用X射线衍射运动学理论高分辨X射线衍射IncidentBeamDetecterTiltSpecimenMeasureRockingCurveRotatemonochrometer双轴晶衍射DoublecrystalDiffractionX射线衍射仪的分辨率可通过在X射线的光路上安装一定的光学元件来实现。这些元件的作用是实现对X射线的单色化和准直化。单色器是对X射线进行单色化的光学元件准直器是对X射线进行准直化三轴晶衍射多轴晶衍射为提高X射线的能量分辨率和降低角度发散单色器和分析晶体都采用模块化设计(a)双晶(+-)排列(b)双晶(++)排列杜蒙得(DuMond)图对点阵参数、取向差敏感衍射仪的能量和角度分辨率可用杜蒙得〔DuMond〕作图法来估算双轴晶配置可有效地降低背底强度提高信噪比高分辨X射线衍射仪的配置简化的高分辨X射线衍射仪的配置共面衍射几何非共面衍射几何共面衍射()扫描。即保持圆以二倍于圆的速度转动。()扫描。即保持探测器在一定的角度(一般对应某一布拉格角)样品来回摆动。所得谱线即是常谓的摇摆曲线(rockingcurve)()二维扫描。通过结合以上两种扫描方式可以得到衍射强度在角度空间或倒易空间的二维分布图共面衍射扫描方式示意图(a)径向扫描(b)横向扫描SubstrateSiSiGeSiCapSiGegradedlayerCrosssectionofpartofatypicalSiGeHBTdevicestructureprobingbeamofXraysdiffractedXraysthicknesscompositionperfection•近完美晶体的X射线双轴晶摇摆曲线理论模拟用完美晶体X射线衍射动力学理论•多层膜结构的X射线双轴晶摇摆曲线计算模拟用畸变晶体X射线衍射动力学理论掠入射衍射非共面衍射的一种极端情形。X射线的入射角i和出射角f与全反射角接近一般仅为几分之一度。所以衍射面和衍射矢量Q接近平行于样品表面也就是说参与散射的晶面接近垂直于薄膜表面。掠入射衍射是分析薄膜表面结构的极为有效的方法。通过微调i和f还可以控制X射线在样品中的穿透深度对薄膜进行深度分层分析是研究薄膜表面结构的有效手段n=n=iß<nn<Scattering~Absorption~GrazingIncidenceXrayScatteringCriticalangleC~()CforCuKradiationforSiliconC=°forGoldC=°Braggequationn=(sinsinC)X射线在介质材料中的折射率比略小当X射线对于介质表面的掠入射角小于某个临界角后X射线不再进入介质而是全部反射出来(吸收会损失掉部分X射线)表现为外全反射现象。临界角:掠入射几何下波长为Å的X射线在硅单晶中的穿透深度。其中i为掠入射角,f为掠出射角,c为全反射临界角LinefocusXraytubeApertureslitReceivingslitAbsorberDetectorKnifeEdgeCollimatorKECThinfilmsampleGraphitemonoIncidentbeamdivergenceof~°correspondsslitsizeofµmX射线反射率测量时X射线入射角等于出射角即X射线反射率测量FilmThicknessnm{nm}Filmdensitygcm{~}RMSroughnessnm{}LayersequenceDensitygradientnzCorrelationsi,jPropertiesofMatterwhichcanbedeterminedbyReflectometryGrazingIncidenceDiffractionGIDcomposition,latticeparametersinsublayers在进行掠入射实验时要求X射线同时在与入射面平行和垂直的方向有较好的准直性。一般要求在i方向的发散度很小而在w方向则要求略低。实验时如果采用位敏探测器则可以在固定的i角度同时记录散射强度随f的变化等同于晶体截断杆扫描。扫描时晶体绕平行于表面法向的轴转动因而可以记录在不同Qz处QxQy面内的散射强度分布。测量分辨率的分析不同的实验问题对X射线衍射仪的要求也有不相同。对于结晶性很好的半导体外延膜其X射线衍射峰的本征半高宽可低至几到几十秒要求衍射仪具有较高的分辨率。对于溅射法生长的金属或氧化物薄膜其单晶性较差X射线衍射峰的半高宽可高达度左右所以选择较低分辨率的衍射仪较为合适。分辨率的提升通常是以牺牲X射线强度为代价。也可以说选择X射线衍射仪配置的基本原则是实现满足分析要求的最低分辨率以达到最高的分析效率。对于薄膜内部具有平行于薄膜表面的结构的样品如量子线量子点和电荷密度波等或对于超薄薄膜(几十纳米以下)则通常的高角衍射仪难以承担其任务。这时应以X射线掠入射衍射仪为最佳选择通过控制掠入射实验的入射角和出射角的大小也可以控制X射线在样品中的穿透深度从而实现对超薄薄膜的分析或薄膜的深度分层分析即使是采用高分辨X射线衍射仪也不可能实现绝对单色和完全无发散的X射线。这就使得在实验中测量得到的在某一位置的强度分布实际上是某一小区域内的平均结果。这一区域的大小决定了分辨率的高低Holy等人对共面衍射倒易空间的分辨率的分析发现Qx和Qz可表达为:在对称衍射时i=f=假设i=f=则有据此可对衍射仪的分辨率作估算。在实际操作时根据需要可以选择不同的分辨率在研究外延生长的半导体薄膜时如果外延膜与衬底之间的晶格失配很小则对分辨率的最低要求是能分离薄膜衍射峰与衬底衍射峰。在较高分辨率时还应能分离薄膜的厚度干涉条纹。所研究的对象是完美性较好的均匀薄膜或多层膜时则仅要求有较高的Qz分辨率而不太考虑Qx的分辨率。这时可以去掉分析晶体采用大发散的f角。这种情况下Qz方向的分辨率可表达为:Qz=Kcosaiai在掠入射衍射时由于非零的入射角和出射角衍射矢量Q除了Qx和Qy分量外还有一小的Qz分量。在X射线衍射运动学近似下掠入射衍射的分辨率可以表达为:面内衍射矢量通常在掠入射实验中i与f的发散度远小于i和f的发散度因而即平行薄膜表面的分辨率主要由i和f决定而沿Qz方向的分辨率主要由i与f决定。X射线漫散射X射线入射样品表面可以将介质看作是均匀连续的用折射率表示该介质的材料参数。在两种介质的界面折射率突变电磁波在界面反射和折射。反射波矢量与界面的夹角等于入射波矢量与界面的夹角叫镜面反射。如果界面粗糙在非镜面方向就会有漫散射。x(x)X射线反射和漫散射实验装置示意图单晶或双晶单色器保证入射X射线的能量分辨率角度分辨率。狭缝和主要是用来降低实验的背底噪音X射线反射实验波矢示意图X射线漫散射实验波矢示意图X射线漫散射可有两种实验安排()固定探测器的位置即保持不变进行扫描。进行扫描。LongitudinalScan有时又称为offset~scan在X射线反射散射实验中由于入射角度很小入射X射线在平行表面方向上的投影尺寸很大L为入射光光斑的大小。在实验中要注意使用尺寸较大的样品以确保入射X射线在样品表面的投影不要超过样品表面否则要做面积修正来计算反射散射X射线的强度X射线散射测量界面粗糙与关联X射线漫散射曲线理论拟合应用畸变波波恩近似(DWBADistortedWaveBornApproximation)来计算从漫散射曲线能够得出各层之间的非相关粗糙度横向及纵向统计相关性。多层膜的反射系数R和透射系数T由Fresnel公式给出假设衬底为半无限大介质利用迭代关系计算R=|Ro|就是多层膜的反射率。从反射率曲线能够得到薄膜结构各层的厚度和电子密度、表面和界面的均方根粗糙度。•Methodsofthemulyilayercharacterization•ProblemsSuperthinsystemdetecttechniqueforatomiclevelMultilayersnewanalysismethodImperfectlowdegreeoforderingnewtheoreticalanalysismethodMethodstosolvetheproblemsMicrostructuresrockingcurvehighresolutionXraydiffractionreflectivitydiffusescatteringreflectivityanomalousfinestructurereflectiveXrayfluorescencereciprocalspacemappingXraytopography四应用实例均匀单层结构GaAsSi均匀单层膜X射线双轴晶衍射摇摆曲线()衍射一个对应衬底的峰和一个对应薄膜的峰膜峰出现在衬底峰的左边根据布拉格方程说明dsdf两峰距离可计算出外延膜与衬底晶格常数差利用X射线衍射动力学衍射理论对实验曲线进行模拟可以得到外延膜的真实厚度和成份A薄膜厚度、成份、晶格参数RockingcurvePeakpositionsmismatchcompositionmisorientationPeakshapethicknessperfectnessInformationcontentSinglelayerZnSeGaAs当外延膜厚度超过一个临界值时由于入射束和衍射束的干涉摇摆曲线除了衬底峰和膜峰外还可观察到干涉峰ABA结构在两层结构、成份一样的薄膜中间插入另一薄层由于B层的存在使得上、下A层反射的X射线产生干涉谱线比较复杂ZnSeZnSxTexZnSeABA结构薄膜()X射线双轴晶衍射摇摆曲线衬底峰和膜峰之间以及在膜峰的低角度处有干涉峰表明样品具有很锐界面的层状结构X射线衍射动力学理论对摇摆曲线进行模拟得到样品的真实结构:各层厚度、成份、应力量子阱结构、多量子阱结构结构量子阱结构是在结构完美的衬底上周期性地交替外延生长两种不同材料又称超晶格结构。多量子阱结构类似超晶格结构但不具有周期性其X射线衍射摇摆曲线表现为衬底峰、薄膜峰和若干个卫星峰其衍射峰与点阵参数不具有一一对应关系是超晶格各参数的整体效应。因此对其分析必需用理论模拟。AlAs(Å)GaAs(Å)超晶格()倒易阵点附近的X射线衍射摇摆曲线和理论模拟曲线在零级峰两侧存在卫星峰应用X射线衍射动力学理论对实验曲线进行模拟可以得到各子层厚度、成份等信息波长衍射面与表面夹角重复周期两卫星峰角度差Bragg角对于周期性多层膜或超晶格即使膜层的单晶性和厚度均匀性不是太好只要可以测量到卫星峰就可以确定超晶格的平均周期多层膜或超晶格重复周期衍射级分子束外延生长的AlGaAsGaAs()薄膜的X射线高分辨()衍射谱薄膜与衬底之间的晶格失配约为%薄膜的名义厚度为Å测量得到的干涉峰间距为=×弧度薄膜实际厚度为ÅGaAs()的布拉格角B=ºTriplecrystaldiffractionlayerSiGeLayerthicknessmmGecontent,,,,DoublecrystalTriplecrystal薄膜结构完美性TcyearHgNbPbNbSnNbGaNbGeLGCOYBCOTlBCOHgBCO•Superconductor•superconductormultilayers•ProblemsSuperthinsystemdetecttechniqueforatomiclevelMultilayersnewanalysismethod•ApplicationSQUIDmicrowaveantennafilterresonatordelaylinesInfluenceofgrowthconditionSTOYBCOBTOLaserablationYBCOPaOsubCBTO*–PasubCDeterminationofxandcPb(ZrxTix)OYBCOSTOSTOYBCOPZTÅÅ,ÅPZT()YBCO()STO()YBCOc=±ÅlargerPZTc=±Åx=STOc=±ÅYBCO()PZT()STO()YBCO()薄膜面内结构薄膜材料的厚度一般为几纳米至几微米常规的X射线衍射技术的穿透深度约几十微米很难反映薄膜材料的结构及完美性。为了适应表面和界面检测的需要发展了X射线掠入射衍射(GrazingIncidentDiffraction,GID)X射线在介质材料中的折射率比略小当X射线对于介质表面的掠入射角小于某个临界角后X射线不再进入介质而是全部反射出来(吸收会损失掉部分X射线)表现为外全反射现象。临界角:为材料的质量密度Z和A分别为材料的原子序数和原子质量NA为阿佛伽德罗常数MultilayerMagneticProperties年度诺贝尔物理学奖PGrunberg,RschreiberYPang,MBBrodskyandHSowersPhysRevLeet()MNBaibich,JMBrote,AFert,FNgnyenVanDan,FPetroff,PEitenne,GGrenzet,AFiederichandJChazelas,PhysRevLett()面临困难¶GMR产生机制和影响因素微结构¶AFMFM交换耦合机制磁结构NiFeCuspinvalvestructureNiFe,CuimpossibletobedetectedbyconventionalXraytechniquesnewdetecttechnique•ProblemsofmicrostructureMethodstosolvetheproblemsMicrostructureshighresolutionXraydiffractionreflectivitydiffusescatteringreflectivityanomalousfinestructurereflectiveXrayfluorescenceMagneticstructureXrayresonantmagneticscatteringXraymagneticcirculardichroismXraymagneticlineardichroismphotoelectronemissionmicroscopyLaCaMnOSrTiO在LCMO()衍射峰附近进行θθ扫描不同厚度薄膜对应的磁电阻和金属绝缘性转变温度曲线为不同厚度薄膜的应力SrTiO表面生长LaAlO有缓变层(厚)绝缘氧化物界面微结构分析SSRL,LaAlO衬底:薄膜,没有界面层但表面有缓变层()掠入射衍射薄膜厚度nm应变的深度分布:STOonLAO表面衍射SurfacelayerStrainedlayerInterfacelayerZhaietal,APL应变的深度分布:STOonDSO表面衍射应变的深度分布:STOonDSO表面衍射χ<αcχ>αc表面区弛豫区域界面区域Zhaietal,JPDZhaietal,JPD初步结论初步结论SrTiO上生长LaAlO薄膜具有的奇异导电行为与界面形成的约纳米的过渡层有关,过渡层的具体微结构需要进一步研究没有获得相变的证据需要探索新的表界面电子密度分布的新手段来研究界面层的结构B量子线结构半导体量子线是一维栅格结构材料的线宽及其横向排列周期可以调整材料的电子能态密度量子线内晶格的横向应变弛豫对材料的电子能带带隙有所调控晶格的应变弛豫状态受周围环境的影响因此测量位于样品内部量子线的应变弛豫不能采用破坏式的实验方法X射线衍射作为一种非破坏性实验手段结合掠入射技术已广泛应用于半导体薄膜材料的应变测量领域具有横向周期排列的内嵌式多层量子线样品结构示意图利用X射线掠入射衍射实验可依以下步骤来表征横向周期排列的量子线的结构。()在晶体的面内倒易阵点(hk)附近进行掠入射衍射实验()根据样品的制备条件建立样品的结构模型并利用有限元方法计算相应的应变场()由X射线掠入射衍射理论计算具有上一步骤中得到的结构模型及应变场形式的样品的X射线衍射理论曲线与实验曲线比较以拟合出与实验曲线偏离最小的量子线形状参数。()将得到的量子线形状参数做为初始条件重新构建样品结构模型并利用有限元方法重新计算应变场。重复步骤()和()直到理论计算的衍射曲线与实验曲线吻合很好。至此得到量子线的形状以及应变分布。用畸变波玻恩近似方法模拟内嵌式量子线样品掠入射衍射强度的计算公式其中AUlyanenkov,NDarowski,JGrenzer,UPietsch,KHWang,AForchel,PhysRevB,():M玻恩E沃耳夫著《光学原理》上册,科学出版社年第页到第页。UllrichPietsch,VáclavHolý,TiloBaumbach,Highresolutionxrayscattering,SpringerVerlagNewYork,LLCGTBaumbach,DLübbert,UPietsch,NDarowski,LLeprince,ATalneau,JSchneck,PhysicaB,():GTBaumbach,STixier,UPietsch,VHolý,PhysRevB,():GaAs衬底上刻蚀InGaAs单层量子线填充部分为量子线的位置量子线周围介质为AlAs表面覆盖层为GaAs量子线沿着方向AUlyanenkov,PhysRevB,():用有限元方法得到的InGaAs量子线及其附近的位移场分布由位移场得到的量子线周围的应变分布C量子点结构半导体量子点是零维结构单个量子点的形状及尺寸分布有一定的范围,量子点的内部也存在成分及应变的分布表征方法基于X射线掠入射异常衍射实验技术TUSchülliAnomalousXrayDiffractionfromSemiconductorNanostructures,PhDThesis,JohannesKeplerUniversitätLinz(Linz)TUSchülli,JStangl,ZZhong,RTLechner,MSztucki,THMetzger,GBauer,PhysRevLett,,()对量子点物理模型做如下的假设:()假定由X射线掠入射衍射实验得到的衬底材料倒易阵点附近的衍射花样是反映量子点内部性质忽略量子点之间的干涉效应。并且量子点是统计均一的亦即单一量子点模型。()忽略量子点内不同的等应变区域之间的干涉效应。()假定量子点内部的应变弛豫随量子点的高度单调增加。按照这些假设可以近似地认为在衬底倒易格点附近沿着倒格矢方向扫描(径向扫描)得到的X射线衍射曲线上各点的位置及强度所反映的是某一等应变区域内的平均晶格参数以及

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