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
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Figure 12. Orientation relationship between catalyst particle and the grown nanowire. (a) TEM image of Au catalyzed ZnO nanowire, (b) the SAED pattern including both Au catalyst and ZnO nanowire.
工作原理：由炽热的灯丝阴极发 射出的电子在阳极电压的加速下 获得一定的能量。其后，加速后 的电子将进入由两组同轴磁场构 成的透镜组，并被聚焦成直径只 有5nm左右的电子束。装臵在透 镜下面的磁场扫描线圈对这束电 子施加了一个总在不断变化的偏 转力，从而使它按一定的规律扫 描被观察的样品表面的特定区域 上。
2 h 1 2 2
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到小于1nm
3）透明薄膜厚度测量的干涉法
在薄膜与衬底均是透明的，而且它们的折射率分别为n1 和n2的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄 膜的光学厚度n1d的变化而发生振荡。
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对于n1>n2的情况，反射极大的位臵出现在
sin nc sin
观察到干涉极小的条件是光程 差等于（N+1/2）λ。
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2）不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET）和 等色干涉条纹（FECO）法
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台阶上下沉积一层高反射率的金属层
覆盖半反射半透明的平板玻璃片 单色光照射，玻璃片和薄膜之间光的反射导致干涉现象 光干涉形成极大的条件为S=1/2(N-1)λ 在玻璃片和薄膜的间距S增加ΔS＝λ/2时，将出现一条对应 的干涉条纹，间隔为Δ0。 薄膜上形成的厚度台阶也会引起光程差S的改变，因而它会 使得从显微镜中观察到的光的干涉条纹发生移动。 条纹移动Δ所对应的台阶高度应为h=Δλ/(2Δ0) 测出Δ0和Δ，即测出了薄膜的厚度