一种测定晶体取向及其分布的简便XRD方法_图文

1、第17卷第3期 2002年5月无机材料学报Journal of Inorganic MaterialsVol 17No 3、la,2002文章编号:1000324X(200203-046005一种测定晶体取向及其分布的简便XRD方法郭振琪1,付 涛2,王 宁1,傅恒志3:1西北大学分析测试研究中o,西安710069;2.西安交通大学金属材料强度国家 重点实验室,西安710049;3.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072摘要:提出了旋转定向测试法,其原理是使试样在粉柬x射线衍射仪上进行0扫描的同时 绕其端面法线自转,增加了晶面法线通过衍射平面的机会通过这种方法可直观地区分取向多

2、晶、准单晶或者单晶体.评定研制过程中准单晶和择优取向材料的晶体品质t确定单品、准单 晶及择优取向等材料的晶面相对宏观端面的晶向偏离角和取向分散度,还可对单晶体材料进行 三维晶面定向.旋转定向法测试晶体取向具有快速简便、一机多用、精度高等优点,在电子、 光学、磁性,机械等材料研究领域具有广泛的应用.关键词:晶体材料j晶体取向J x射线衍射中圉分类号:O 722文献标识码:A1引言本文提出的旋转定向XRD测试法,是在普通粉末x射线衍射仪(日本理学公司,D/max一 3C型上,使试样在0扫描的同时绕端面法线自转,增加了晶面法线通过衍射平面的机会, 收穑日期:20010514.收到任改稿日期:2001

3、0614作者简升:郭振琪(1944一,男.副教授 E-mail:guozqnwu edu cn3期 郭振琪,等:一种测定晶体取向及其分布的简便XRD方法461从而测定了取向多晶、单晶、准单晶及择优取向材料的晶体取向及其分布,并可方便地对 各种晶体形式进行分析和评价.00图1NdzFe-4B超强磁钢I.块体和II一粉末(a常规衍射谱和(b(006晶面的旋转定向法衍射谱 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方法与原理旋转定向法需要知道被研究材料的晶体结构参数(物相结构,这可通过查标准XRD卡 片或者对该材料的无取向试样进行常规衍射测出某一晶面的衍射角(如固溶体还需要有 一个能让样品绕其端面法线自转的装置,这可使用衍射仪配置的试样旋转台.图2碳纤维(a平行和(b垂直轴线方向的 常规衍射谱Fig 2Conventional XRD patterns of the car bon fiber:(aparallel to and(bperpendicular tothe axle涨 02蜘州。sourceo.F 7,脊旦, 瓤20,Derecto

5、r图3旋转定向法的衍射原理图Fig 3Principle diagram of the Rotating spec iraen for determining crystal Orientation XRD (ROXRDmethod图3为这种方法的衍射原理图,探头固定于某晶面的衍射角200处(口。为该晶面的布 拉格角,试样装在旋转台上进行0扫描(0<0<200的同时,绕其端面法线以较快的速度 自转,使晶面的法线有多次机会通过衍射平面,这样固定于2如处的探头就可以接收到该 462无饥材料学报晶面的衍射线.该晶面除了从常规衍射峰中选择,还可从工艺或性质卜关心的晶面考虑, 或者从晶面指数

6、低的到高的晶面逐个尝试.只有晶面与端面的夹角,即晶向偏离角p满足 。墨0<00,探头才有可能接收到衍射线.若晶面分别在0-和目2产生最强衍射峰、它的晶向 偏离角=(目201/2,而02-6=01+=口o,故该晶面的布拉格角eo=(口2+plj/2当该晶面与端面 重台时,=o,目z=目1,只出现一个衍射峰.旋转定向法的衍射图把各种晶体取向的细节连续地显示出来.提供了晶体内部结构的 若干信息.在材料分析和研究中有以下几个用途,3应用与实例3.1衍射圈可作为判定单晶、准单晶和取向多晶的依据采用旋转定向法,单晶、准单晶或其中的晶粒较大时,因试样自转和多次衍射,在最 强峰日l和0。左右会出现带有阶

7、梯线的衍射图(图4.随机取向多晶或粉末的衍射线是以目。 为中心,衍射强度逐渐衰减的连续曲线.取向性的多晶体,如果晶粒细小.也不会出现阶 梯线.这些特征可用于判断材料是多晶、单晶还是准单晶.囹1(b中的块体是有取向的多 晶,但晶粒细小,而其粉末是随机取向的多晶.图4所示的材料应是准单晶,因为阶梯线F 方还存在多晶成分造成的弱衍射峰.对于取向性材料,几种取向对应几对高斯分布阶梯包 络线.图5所示的定向凝固的铜柱晶在金相显微镜上看起来是单晶,但实际上是含有两个 主要取向的晶体.图4定向凝固sb一5%B1台金(012晶面的旋转定向法衍射图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。 图5定向凝固铜柱晶(200的ROXRD罔 Fig 5ROXRD pattern of(200plane of the directionally solidified Cu columnarTest conditions:CuKo 35kV 10mA.fixing2氏=50420旋转定向法还可用以区分单晶和取向多晶薄膜.用化学气相沉积、离子溅射、分了I柬 外延等各种方法制备的半导体薄膜(SiC、Z

9、nO、GaAs、金刚石等,由于不同晶面的生长 速度不同,经过一段过渡层后,有可能某种晶面择优生长,覆盖整个宏观表面.这些试样 如果用常规衍射确实只收到一种晶面的衍射峰,并不能说明生长的是单晶膜.图6中的试 样(a、(b常规衍射时只收到(001晶面的二级、四级衍射峰,但旋转定向法的衍射谱则 表明它们都是取向性的多晶体,而(a样含有取向分散的大晶体,(b祥的晶粒较为细小, 3.2从衍射图上可以确定择优取向晶体、准单晶和单晶的取向偏离度与分散度3期 郭振琪,等:一种测定晶体取向及其分布的简便XRD方法463上述晶体材料的取向偏离度可用晶向偏离角表示,取向分散度则用晶向偏离角口的 变化区间,即衍射图上

10、阶梯包络线的半高宽(FWHM表示对单晶品质较好的宝石单晶!】 和某些金属单晶(图7,和FWHM这两项指标可明确地显示在图上;对于取向性分散的晶 体(图6这两项指标的意义不很明显.还发现,即使图7所示品质较好的单晶,其衍射峰局 部放大后仍有许多对高斯分布阶梯线,这与晶体中的缺陷有关.这种方法适合任何晶系结构和大小不同的空间偏离角.而半导体材料研究中的cosncosJ=cos方法%是通过测出方位角。和口而间接计算出,该方法在偏离角较大时,因探头不 能收到衍射线而失效.00010002000003500e/(。 图6硅基体上两种离子溅射ZnO薄膜(002峰的旋转定向法衍射图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/(。图7镍基DD3高温合金(200晶面的旋转 定向法衍射图 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采用旋转定向法可以对宏观单晶体进行三维定向对于具有一定宏观尺寸的单晶体.在三维表面任一端面定出某晶面的空间偏离角0后, 把探头固定于2日。处,试样转到日l(或02位置,仅使试样绕其端面法线慢速自转,找出衍射 线最大位置,此位置便是晶面法线在端面上的投影线,在此位置垂直衍射平面切割,使切 割面和端面在衍射平面内的交角为+(或一,如图3,则可切出该晶面,再对另外二维端面 进行取向测量,找出晶面的晶向偏离角.如果这些晶面的晶向关系符合该晶体晶系的晶向 夹角关系,则该宏观晶体是单晶体,据此可以求出宏观晶体坐标系和内部晶体点阵坐标系

13、 之间的几何关系并可裁出宏观表面和微观晶面一致的单晶体.作者曾把镍基DD3高温合金单晶(立方晶系裁为6mmx6mmx6mm块状晶体,再用旋 转定向法检验,晶向偏离角已经很小.由于衍射仪本身精度很高,对单晶品质很好的nA1zO。 宝石单晶进行测量,经过透射电镜菊池线扫描验证,其晶向偏离角的误差仅为0.2。 4结论i.旋转定向法可在粉末x射线衍射仪上区分多晶、取向多晶、准单晶或者宏观单晶 体.可以直观地评价准单晶和择优取向材料的晶体品质其0扫描衍射图能把各种材料的 o 望 舌%5量464无机材料学报晶体取向分布细节展现在一张图上,可测定单晶、准单晶和择优取向材料的晶体取向偏离 角及其取向分散度,从

14、而可对单晶体材料进行三维定向2.这种方法具有快速简便、应用广、多功能、精度高等优点.在电子、光学、磁性等功 能材料及工程材料的定向凝固、单晶生长.薄膜制备等研究领域有广泛的应用参考文献1】张克从,张乐惠晶体生长科学与技术下册,科学出版社,199749019212】马胜利,郭振琪,等.西安理工大学学报,1996,12(4:303306【3ASTM标准一F2666,Part 8,19714J4何 国.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