（核技术及应用专业论文）sio2si物理结构的测量及机械合金化fecu体系的结构研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 本论文分为两个部分，一是采用掠入射x 射线全反射率( g i x r r ) 、椭偏测量 法( s e ) 和光电子能谱法( x p s ) 三种实验方法研究了在s i 单晶衬底一l 生长的s i 0 2 超薄膜的物理结构。通过建立适当的结构模型，系统地探讨s i o ：超薄膜的密度、厚 度、表面及界面粗糙度等主要因素对g i x r r 、s e 和x p s 实验结果的精度和准确性的 影响规律：同时注意到在通常的测量条件下，水和有机物表面吸附的污染层是影响 超薄膜测量精度的重要因素。总结g i x r r 、s e ：f d x p s 的研究结果，提出了一种研究 厚度小于1 0 n m 的超薄膜的物理结构( 密度、厚度、表面及界面粗糙度) 的精确方法。 二是用x 射线吸收精细结构( x a f s ) 和x 射线衍射( x r d ) 方法研究了机械合金化 方法制备的f e c u 不互溶合金体系的长程序和短程序结构随组成、球磨时间、退火 温度产生的变化特点及其规律，提出了f e 和c u 二元金属在球磨过程中形成合金的微 观机理。 一、s i 单晶衬底生长的s i 0 2 超薄膜( _ 4 0 时，f e l o o x c u 。为f c c 结构；当x 2 0 时，f e l 0 0 - x c u 。为b c c 结构；当2 0 _ 4 0e x h i b i t sas i n g l e p h a s ew i t ht h ef o cs t r u c t u r ew h i l ei ti sa b c cs t r u c t u r a ls i n g l e - p h a s ef o rt h ex 2 0 i ft h ea t o m i cc o n c e n t r a t i o ni si nt h er a n g eo f 2 0 2 0 n r n ) 薄膜样品，计算出的结果拥有 可以令人接受的准确度。而另一方面，当薄膜厚度达到小于1 0 n m 的尺度时，这一模型便 显露出了其不合理性：首先，当薄膜厚度尺寸达到一定的限度时，其薄膜部分的物理结 构与同材料的体相相比会产生很大的变化，在这种情况下，非晶s i 0 2 薄膜的光学常数不 应继续使用其体相材料的标准值；其次，薄膜厚度的减小使得表面区域和界面区域在薄 膜结构中所占的比例增大，在拟合过程中将其忽略必然使计算结果产生较大偏差。 在本论文的第四章，我们尝试着采用理论和实验相结合的方法找到使椭偏测量法可 以用来较为精确的测量小于1 0 n m 厚度的s i 0 2 超薄膜的厚度的有效途径。首先，用理论模 拟出的6 n m 厚的理想s i 0 2 超薄膜为研究对象，给出改变光学模型中非晶s i 0 2 的光学常数对 拟合计算出的薄膜厚度的影响。其次，在光学模型中加入界面和表面非光滑层，使用相 同的方法分别给出这两个因素对计算出的薄膜厚度的影响。第三，通过对上述结果的分 析以及参考第三章g i x r r 的结果，建立适用于测量小于1 0 n m 厚度的s i 0 2 超薄膜的厚度的 光学模型。最后，对期望厚度为2 ，4 ，6 ，8 n t o n m 的s i 0 2 超薄膜进行了测量，并使用新 建立的光学模型拟合计算得到了它们的薄膜厚度。 中国科学技术大学博士学位论文 1 5 光电子能谱( x p s ) 技术在s i 0 2 s i 超薄膜厚度的测量上的应用 x p s 是整个表面分析中应用最为广泛的种现代分析方法。国际r 用它来研究 s i o j s i 薄膜体系的t 作也谢r 多2 s - 3 2 1 。使用这种方法不但可以确定s i 0 2 s i 薄膜体系表 面和界面的各种化学结构特征，而且通过对样品s l2 p 光电子峰面积比的计算可以得到 s i 0 2 薄膜的厚度【j 。t a k a h a s h i 等人的研究表明在一定的实验条件卜对于厚度为1 2 和3 n m 的s i 0 2 超薄膜，可以得到光电子谱峰强度和厚度的线性关系 1 ”。但是，对于使 用x p s 方法测量s i o d s i 薄膜厚度的误差分析，至今还没有一个系统的研究。 在本论文的第五章，我们通过对2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 r a n 样品的光电子峰谱的测量和计 算，分析了使用x p s 方法确定s i 0 2 s i 薄膜的厚度的误差的主要来源以及大小。 1 6 机械合金化f e - c u 体系的研究意义及现状 f e 与c u 的原子半径几乎相等化学亲和力匕上及其它的电化学性质都很相似，但是 在热力学平衡条件下，f e - c u 之间的同溶度只有3 左右，即使用金属冶炼和淬冷方法， 也只能使其固溶度扩展到8 左右口。 1 9 9 0 年，s h i n g 水1 等人才首次通过机械合金化方法极大地扩展了f e c u 之间的互溶 度、形成f e - c u 合金。随后，j i a n g 3 s l 和l m a 3 9 1 等人利用d s c 测量了部分f e 。c u 合金样 品的热量随温度的变化关系。他们发现在5 7 3 k 至7 7 3 k 之间存在着明显的放热峰。这表 明机械合金化方法制备的f e c 【l 合金样品处于亚稳态。杨元政 4 0 l 、q i t 4 1 咖u e n i s h i t 4 2 1 等人各自利用x r d 研究球磨而成的f e - c u 二元合金的晶体结构。结果表明：高能球 磨生成的f e 。c u x 合金具有中程有序结构，当x 立o 时，为单一的b e e 结构；当x _ 4 0 时，为单一的f c c 结构；当2 0 x 4 0 时，为单一的f c c 结构；当2 0 分别是能量为e ，的初态和能量为e n 的末态；局是h a m i l t o n i a n 量。 吸收截面a 可写成： g ( ) = 面4t c 2 e 2 每l 1 26 ( 巧一e 一哪) 2 2 9 十。 和i 十， 是单电子态，j j 是电子动量；6 是光子的偏振方向。 式2 2 9 虽然忽略了多电子效应，但基本上仍是精确的表述，这对计算是不方便的。 因此，我们必须做一些近似，得到更有用的。表达。 ( 1 ) 偶极近似 利用偶极近似，方程2 2 9 中矩阵元的e 指数项e 乎p 可以被简化，当g r o m ，i8 ( ee i 、：一土i m g + 兀 2 3 4 g ( ) ：4 n 2 c c r l t o i m 2 3 5 将散射矩阵t 应用到g r e e n 函数g 丁= y + v g v 2 3 6 并且单个原子的g r e e n 函数g 。= ( e 日。) 一，这样g 可以被表达成： g = g 。+ e g 。l g 。+ g 。g 。瓦g 。+ e g 。l g 。瓦g 。乃g 。+ 2 3 7 o ：；i s ；0 j “o 锚 利用这散射矩阵的扩展，吸收截面叮司表为： a ( ) ：一4 x 2 d 呻i m 一4 x 2 e x l 0 ) e i m + 2 3 8 第一项给出一，即来源于自由原子本身的吸收截面；高阶项给出来源于近邻原子散射 产生的光电子的吸收截面。第二项给出g 1 ，即单重散射的贡献。 根据x a f s 的定义， x = 訾= 吾 z 考虑单重散射，我们有： a z g 。+ g ： 2 4 0 求和遍及所有近邻原子位置。所以， o j x 2 ；x ，2 分 2 4 1 根据前面一和1 5 1 的结果，求解波函数，并考虑平面波近似，可得到初步的x a f s 方程： 中国科学技术大学博士学位论文 胎) _ i m ；等e 砸删小吣) ) ) ：尘! ：；掣s i n 2 k r ，+ 2 6 ( 女) + ( p ( a ) 2 4 2 解j 。 。 、7”“ 其中，n j 是第j 配位层的配位数：r j 是与吸收原子的平均距离：f j ( k ) 是第j 层原子的散 射振幅：6 ( ) 是吸收原子势对光电子波作用造成的相移，( p ( 女) 是背散射原子作用引起的 相移。 e x a f s 更通用的表达