利用X光布拉格表面繞射方法測量異質材料之表面/介面應變結構

Measuring Surface/Interface Strains for heteroepitaxial Materials Using X-Ray Bragg-Surface Diffraction

孫文檠(Wen-Ching Sun)

指導教授 ： 張石麟

國立清華大學/理學院/物理學系/博士(2006年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2006.00266

摘要

對於奈米數量級的材料,如量子點、量子線、薄膜或多層膜,要了解其表面及介面結構問題,X光是一個很有用的一種研究方法。
本論文為薄膜及量子點與基板之間的介面研究，其目的在於發展一個新的方法來分析介面結構的相關訊息。

利用布拉格表面繞射技術，產生沿著介面傳播的X光，從繞射光點得到介面的穿透深度及應變場的關係。實驗所量測的材料為 Au/GaAs 。
轉動布拉格角theta得到初級繞射光GaAs(006),再轉動方位角 phi得到沿著基底與薄膜介面行進的次級繞射光GaAs(1-13)及 GaAs(113)。
在次級繞射光的出光位置放置影像板,並擷取繞射光點的影像。
從影像板上發現攜帶介面訊息的二階繞射影像與在一階位置的掃描圖形會有所不同，這表示介面的GaAs結構由於受到上面Au薄膜的壓迫，
造成晶格扭曲，倒晶格向量長度改變，加上薄膜與基板折射率不同,靠近基板的介面發生全反射現象，造成二階繞射影像光點在相對位置上產生變化，
同時也有鏡面反射光的存在。透過影像板上所紀錄到的是倒晶格空間的強度分布，經由愛德華球的幾何圖形,我們導出利用影像板上看到的繞射光點的位置變化，
求出對應的倒晶格向量長度變化量，接著便能算出介面以下附近晶格常數及應力、應變的變化。再從布拉格表面繞射的X光路徑圖導出,利用影像板上分裂的繞射點我們求出介面以下的X光穿透深度。
至於介面以上的薄膜變化,我們使用傳統的兩光掠角繞射實驗。由兩個原子面 Au(-220)、Au(004) 繞射點的分析來得到接近薄膜的介面結構訊息。
再以大角度布拉格反射面Au(-2-20)來決定垂直方向的晶格變化。結合上述的晶格常數與穿透深度的訊息,我們得到介面附近各個繞射層的應變場變化。

同樣方法,我們量測薄膜厚度為50A的材料Sc2O3/Si(111),我們在探討當兩種材料在水平方向相差60度時,對於應變方面是否會產生影響。 實驗上我們選擇三光繞射面分別為(000)、(222)、(113),因此得到接近基底不同深度的介面結構訊息。

量子點材料方面,我們量測SiOx/Si(001) 系統, 我們選擇Si三光繞射分別為(000)、(002)、(311)。由於量子點與基板材料對於晶格常數是連續性的變化,
因此我們轉動布拉格角theta及方位角phi得到從基板至量子點連續的繞射變化,結合X光路徑推導,我們得到在量子點上產生繞射的高度變化。進而也得到了介面附近各個繞射層的應變場變化。

最後我們量測薄膜材料為GeSi/Ge(111),此樣品介面的晶格常數為連續性的變化。我們選擇的 Ge 三光繞射面分別為(000)、(222)、(-131),利用表面繞射光的二維光譜分布,同時得到基板與薄膜的資訊。

三光布拉格表面繞射是一個可以同時量測介面各個繞射層三維應變場很有用的工具。未來我們將利用此方法應用在各種奈米材料上及做其他的實驗如X光波導研究,使此技術能獲得更大的應用。

關鍵字

X光 ； 介面 ； 應變 ； 晶格常數

並列摘要

無資料

並列關鍵字

x-ray ； interface ； strain ； lattice constant

參考文獻

4. M. Rauscher, T. Salditt, and H. Spohn, Phys. Rev. B 52, 16855 (1995).

8. J. Stangl, V. Holy, G. Springholz, G. Bauer, I. Kegel and T.H. Metzger, Materials Science and Engineering C, 19, 349-358 (2002).

29. R. Feidenhans'l, Surf. Sci. Rep., 10, 105-188 (1989).

30. I. K. Robinson and D. J. Tweet, Rep. Prog. Phys., 55, 599-651 (1992).

31. S.-L. Chang, emph{Multiple Diffraction of x-ray in Crystals} (Springer-Verlag, New York, 1984).