薄膜材料的表征方法-16-2012

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6、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）
场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可达1-2 nm
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PbTiO3 Nanowires
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3、透射电子显微镜
（Transmission Electronic Microscope）
特点：电子束一般不再采取扫 描方式对样品的一定区域进行 扫描，而是固定地照射在样品 中很小的一个区域上；透射电 子显微镜的工作方式是使被加 速的电子束穿过厚度很薄的样 品，并在这一过程中与样品中 的原子点阵发生相互作用，从 而产生各种形式的有关薄膜结 构和成分的信息。 工作模式：影像模式和衍射模 式（两种工作模式之间的转换主要
(2m 1) d 4n1
对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
(m 1) d 2n1
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需 要设计出强振荡关系的具体测量方法。
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（1）利用单色光入射，但 通过改变入射角度（及反射 角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉 法（VAMFO），其测量装 臵原理图如图。 （2）使用非单色光入射薄 膜表面，在固定光的入射角 度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被 称为等角反射干涉法 （CARIS）。 注意：以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光 程差变化以及其导致的光的干涉效应。 10
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2）称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话， 由公式
m d A
就可以计算出薄膜的厚度d。 缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。
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3） 石英晶体振荡器法
原理：将石英晶体沿其线膨胀 系数最小的方向切割成片，并在两 端面上沉积上金属电极。由于石英 晶体具有压电特性，因而在电路匹 配的情况下，石英片上将产生固有 频率的电压振荡。将这样一只石英 振荡器放在沉积室内的衬底附近， 通过与另一振荡电路频率的比较， 可以很精确地测量出石英晶体振荡 器固有频率的微小变化。在薄膜沉 优点：在线测量、精确 积的过程中，沉积物质不断地沉积 到晶片的一个端面上，监测振荡频 缺点：1、需对薄膜沉积设 备进行改装； 率随着沉积过程的变化，就可以知 2、成本较高 道相应物质的沉积质量或薄膜的沉 积厚度。 16
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4、X射线衍射方法
特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X 射线的衍射，衍射现象发生的条件即是布拉格公式
2d sin n
解决薄膜衍射强度偏低问题 的途径可以有以下三条： （1）采用高强度的X射线源。 （2）延长测量时间。
（3）采用掠角衍射技术。
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不同温度烧结的BST陶瓷的XRD图谱 (a) 1280℃ (b) 1300℃ (c) 1320℃ (d) 1350℃
4）薄膜测量的椭偏仪（Ellipsometer）法
椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄 膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原 理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射 时出现的偏振变换。
椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、 圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、 大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导 体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。 结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、 快速数据获取等优点。 11
薄膜材料的表征方法
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一 . 二.
ห้องสมุดไป่ตู้
薄膜厚度测量技术 薄膜结构的表征方法
三.
四.
薄膜成分的表征方法
薄膜附着力的测量方法
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一.
薄膜厚度测量技术
1、薄膜厚度的光学测量方法 2、薄膜厚度的机械测量方法
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1、薄膜厚度的光学测量方法
1）光的干涉条件
nc ( AB BC) AN 2nc d cos N
（1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均 匀性等；
（2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、 孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等； （3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延 界面的完整性、位错组态等。
针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。
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2、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
椭偏仪方法又称为偏光解析法。其特点是可以同时对 透明薄膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原 理和计算比较麻烦。 椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用 于复杂环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄 膜生长速度、薄膜性能等有用的信息。
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原理介绍
测出一对起偏 方程 和检偏的角度 (1) 值（P,A）
Au薄膜的高分辨率点阵像，从其中已可以 分辨出一个个Au原子的空间排列。 32
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Figure 7. Determination the side surfaces of a nanowire. (a) Low magnification TEM image of a R-Fe2O3 nanowire. (b) Three possible incident electron beam directions for imaging the nanowire, and (c-e) are the corresponding diffraction pattern along the three zone axes.
不透明薄膜厚度测量的等色干涉法
等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放臵，另外要使用非单 色光源照射薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大出现的条件。
使用非单色光源照射薄膜表面
采用光谱仪测量玻璃片、薄膜间距S引起的相邻两个干涉极大 条件下的光波长λ1、λ2，以及台阶h引起的波长差Δλ
由下式推算薄膜台阶的高度
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优点：提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长， 可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表 面成分分析结果等。 (1)、二次电子像 二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量最低 的一部分电子。二次电子低能量的特点表明，这部分电子 来自样品表面最外层的几层原子。用被光电倍增管接收下 来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描亮度。由于样品表 面的起伏变化将造成二次电子发射的数量及角度分布的变 化，如图（c），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子 束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而 屏幕上图像的大小与实际样品上的扫描面积大小之比即是 扫描电子显微镜的放大倍数。 特点：有较高的分辨率。 20
方程 (2)
薄膜光学常数 n1,d1
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2、薄膜厚度的机械测量方法
1）表面粗糙度仪法
用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针 在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗 糙度仪法。这种方法不仅可以被用来测量表面粗糙度，也可 以被用来测量薄膜台阶的高度。 优点：简单，测量直观 缺点：（1）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差； （2）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。
二.
薄膜结构的表征方法
1、简 介 2、扫描电子显微镜（SEM） 3、透射电子显微镜（TEM） 4、X射线衍射方法 5、低能电子衍射（LEED）和反射式 高能电子衍射（RHEED） 6、扫描隧道显微镜（STM） 7、原子力显微镜（AFM）
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1、简 介
薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中 薄膜结构的研究可以依所研究的尺度范围被 划分为以下三个层次：
依靠改变物镜光栅及透镜系统电流 或成像平面位臵来进行。）
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(1)、透射电子显微镜的衍射工作模式 在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又被分 成许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学 平面的衍射束。
右图是不同薄膜材料 在透射电子显微镜下的电 子衍射谱，通过对它的分 析可以得到如下一些薄膜 的结构信息： （1）晶体点阵的类型和点 阵常数； （2）晶体的相对方位； （3）与晶粒的尺寸大小、 孪晶等有关的晶体缺陷的 显微结构方面的信息。
(2)、背反射电子像 如图（b）所示，除了二次电子之外，样品表面还会将 相当一部分的入射电子反射回来。这部分被样品表面直接反 射回来的电子具有与入射电子相近的高能量，被称为背反射 电子。接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形 成的表面形貌被称为背反射电子像。 (3)、扫描电子显微镜提供的其他信号形式 扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射 电子形貌以外，同时还可以产生一些其他的信号，例如电子 在与某一晶体平面发生相互作用时会被晶面所衍射产生通道 效应，原子中的电子会在受到激发以后从高能态回落到低能 态，同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析 这些信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有 用信息。 21
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5、低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子 衍射（RHEED）
由2dsinθ=nλ可知，要想对薄膜的表面进行研究，可以 采取两种方法。 (1)、采用波长较长的电子束，对应的电子束入射角和衍射 角均比较大。由于这时的电子能量较低，因而电子束对样品 表面的穿透深度很小。 (2)、采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束。这时， 对应的电子入射角和衍射角均较小，因而穿透深度也只限于 薄膜的表层。
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(2)、透射电子显微像衬度形成
用物镜光栅取透射电子束或衍射电子束之中的一束就可 以构成样品的形貌像。这是因为，样品中任何的不均匀性都 将反映在其对入射电子束的不同的衍射本领上。对使用透射 束成像的情况来讲，空间的不均匀性将使得衍射束的强度随 位臵而变化，因而透射束的强度也随着发生相应的变化。即 不论是透射束还是衍射束，都携带了样品的不同区域对电子 衍射能力的信息。将这一电子束成像放大之后投影在荧光屏 上，就得到了样品组织的透射像。 电子束成像的方式可以被进一步细分为三种： （1）明场像 即只使用透射电子束，而用光栅档掉所有衍射束 的成像方式。 （2）暗场像 透射的电子束被光栅档掉，而用一束衍射束来 作为成像光源。 （3）相位衬度 允许两束或多束电子参与成像。 31