反射率测量XRR简介ppt课件
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反射率测量XRR简介ppt课件
ppt课件.
18
Handling the high flux: Rotary Absorber 自动旋转吸收片
Rotary absorber
Scintillation counters linear up to 2 x 105 cps
10,000 times more intensity from the tube side
•分析晶体提高了2theta 的
角度分辨率
• 1-bounce Ge(220) • 3-bounce Ge(220)
• 分析晶体将x射线单色化，同时可以接收全部的反射束，无需探测器狭缝 • 强度 ≈ 3x107 cps (for a 3-bounce analyzer)
ppt课件.
可以在样品中看到 你的影子
平整样品表面，二维方向 没有结构
样品表面粗糙度< 5nm 膜层和衬底，或者不同的
膜层之间存在比较显著的 物质或者电子密度差异 沿着x射线的方向，样品长 度至少3-5毫米。
5
反射率测量(XRR)的基本原理
•X射线在样品表面发生反射 和折射现象
•折射光进入样品内部，在薄 膜于衬底/下一层 的界面又发 生反射和折射。
ppt课件.
1
提纲
ＸＲＲ介绍 仪器硬件选择和测量配置 ＸＲＲ数据解析
ppt课件.
2
什么是薄膜的反射率测量(XRR)?
反射率测量（XRR）是利用X射线在物质中发生的折射和反射（表 面，界面），以及反射线之间的互相干涉对薄膜的性质（密度，厚 度，粗糙度）进行研究的一种方法
对材料表面非常敏感的技术
qx qz
i ki
f
q
kf
The scattering function S is convoluted with the resolution function R of the instrument:
XRR实验报告
X射线反射实验报告实验目的1.了解X射线测试仪器的组成；2.理解X射线反射测试的原理和基本操作步骤；3.学习X射线反射测试数据的基本处理方法。
实验原理在薄膜材料的研究中，其结构参数的测量，特别是厚度和表面粗糙度的测量对薄膜材料的结构和性能研究至关重要。
Ｘ射线反射(XRR)以其无损伤性、高精度以及测量速度快等特点被认为是目前测量薄膜厚度和表面粗糙度等参数的主要手段。
XRR通过X射线的总外部反射效应来研究薄层结构、表面和界面。
多用于表征磁性、半导体和光学材料中的单层和多层结构及涂层。
Ｘ射线以很小的入射角斜入射到薄膜介质中时，将在薄膜表面和薄膜与衬底的界面处发生折射和反射现象，如图1所示，在薄膜上下界面反射的光线符合干涉条件，将发生干涉相长与干涉相消，所得到的反射强度随入射角变化的周期性振荡曲线中包含有薄膜厚度、表面粗糙度和密度等参数信息,反射曲线上θc的位置、衍射峰的周期Δθ和反射强度减小的趋势分别决定了薄膜的密度ρ、厚度d 和表面粗糙度σ。
图中Κi、Κr和Κt分别表示入射、反射和折射Ｘ射线的波矢，θi，θr和θt分别是入射、反射和折射Ｘ射线与界面的夹角，q z＝Κr－Κi为散射波矢，n0，n1和n2分别表示在真空、薄膜和衬底三种介质中Ｘ射线的折射率。
图1光入射到单层薄膜上发生反射和折射的示意图厚度是薄膜的基本参数，当利用XRR测试薄膜试样时，膜层的厚度会对测试产生三种影响：①衍射强度会随薄膜厚度而变，膜越薄，衍射体积越小，衍射强度就越小；②薄膜上下界面的反射（衍射）光束将发生干涉，显示出干涉条纹，条纹的周期与薄膜厚度有关；③衍射峰将随薄膜厚度的减小而宽化，膜越薄，则衍射峰宽度越宽。
在θ小于全反射临界角θc时，入射光束在薄膜表面发生全反射，反射光束的强度几乎没有变化；而当θ大于θc时，一部分入射光束在薄膜表面发生反射，并随着θ的增大反射光束强度呈指数型减小，另一部分入射光束将穿透薄膜并在薄膜与衬底的界面上发生反射。
射线检测的主要方法及原理PPT课件
荧光与闪烁原理
总结词
某些物质在射线作用下会发出荧光或闪烁光，可用于检测和 识别物质。
详细描述
某些物质在射线作用下会发出荧光或闪烁光，这是因为射线 能量激发了物质的电子，使其跃迁至较高能级，当电子返回 低能级时释放出光子。这种荧光或闪烁光可用于检测和识别 物质。
成像与重建原理
总结词
通过测量穿过被检测物体的射线，利用计算机技术重建物体的内部结构。
射线检测的主要方法及原理ppt课 件
目录
• 射线检测概述 • 射线检测的主要方法 • 射线检测的原理 • 射线检测的应用领域
01
射线检测概述
定义与特点
定义
射线检测是一种无损检测技术， 通过利用放射性物质发射的射线 对物体进行穿透，检测物体的内 部结构和缺陷。
特点
射线检测具有非破坏性、高精度 和高可靠性，能够检测各种材料 和复杂结构的内部缺陷和异常。
在焊接过程中，射线检测能够检测出 焊缝中的裂纹、气孔、夹杂等缺陷， 确保焊接质量。
复合材料检测
射线检测能够检测复合材料中的分层、 脱粘、孔洞等缺陷，确保复合材料的 质量和安全性。
石油和天然气管道检测
射线检测能够检测管道焊缝的内部缺 陷，确保管道的安全运行。
医学影像诊断
01
02
03
X射线成像
利用X射线穿透人体组织， 在胶片或数字成像设备上 形成影像，用于诊断骨折、 肺部感染等。
γ射线检测
γ射线检测是利用放射性元素发出的γ 射线对物质进行穿透，通过测量穿透 后的γ射线强度来检测物质内部结构 的一种无损检测方法。
γ射线检测的优点是检测速度快、精 度高、对形状复杂的部件也能进行全 面检测。
γ射线检测具有较高的穿透能力和较 高的分辨率，能够检测出金属、陶瓷、 玻璃等材料中的气孔、裂纹、夹杂物 等缺陷。
X射线反射_XRR_对薄膜样品厚度的研究_于吉顺(1)
薄膜分析主要解决的问题有 : 膜的物相分析 ,膜 (包括多重膜) 的厚度 ,薄膜厚度的变化 (膜的粗糙度) 。 用 X 射线衍射进行薄膜分析的一个最基本依据是 X 射线对试样的有效穿透深度随θ角的减小而变浅 ,而 且膜越薄 ,衍射和散射强度越小 ,衍射线也越宽化 。厚 度是膜层的基本参数 ,这是因为厚度会产生 3 种效应 : (1) 衍射强度随厚度而变 ,膜愈薄 ,衍射体积愈小 ,强 度愈小 ; (2) 反射 (衍射) 将显示干涉条纹 ,条纹的周期 与层厚度有关 ; (3) 衍射线 (峰) 随膜厚度减小而宽化 , 膜越薄 ,衍射线越宽 。
图 1 光从一多层介质上被反射的示意图[1] Fig 1 The schematic drawing of t he light f ro m a mul2
tilayered medium[1 ] X 射线的波长很短 ,在常用的 X 射线分析中 ,其波 长在 0. 1～0. 2nm ,能量很高 ,能穿透纳米级的薄膜 ,从
我们的实践证实 ,测定的样品必须极其光滑和平
X 射线全反射 ( XRR) 方法研究薄膜 ,有些问题 ,比 如非平板样品的薄膜测定 ,又比如多层薄膜的膜的顺 序测定 ,均是需要进一步深化和完善 。
参考文献 :
[ 1 ] 利弗森 E ,叶恒强. 材料科学与技术丛书 (第 2B 卷) 材料 的特征检测[ M ]. 北京 :科学出版社 ,1998. 5712637.
通过以下的计算讨论薄膜厚度和周期04 (倒空间)
对应有 :5. 0
1 ÷60. 2
=
12. 04 (正空间)
于吉顺 等 : X 射线反射 ( XRR) 对薄膜样品厚度的研究
201
106 ÷2. 2 = 48. 18 (倒空间)
图 1 光从一多层介质上被反射的示意图[1] Fig 1 The schematic drawing of t he light f ro m a mul2
tilayered medium[1 ] X 射线的波长很短 ,在常用的 X 射线分析中 ,其波 长在 0. 1～0. 2nm ,能量很高 ,能穿透纳米级的薄膜 ,从
我们的实践证实 ,测定的样品必须极其光滑和平
X 射线全反射 ( XRR) 方法研究薄膜 ,有些问题 ,比 如非平板样品的薄膜测定 ,又比如多层薄膜的膜的顺 序测定 ,均是需要进一步深化和完善 。
参考文献 :
[ 1 ] 利弗森 E ,叶恒强. 材料科学与技术丛书 (第 2B 卷) 材料 的特征检测[ M ]. 北京 :科学出版社 ,1998. 5712637.
通过以下的计算讨论薄膜厚度和周期04 (倒空间)
对应有 :5. 0
1 ÷60. 2
=
12. 04 (正空间)
于吉顺 等 : X 射线反射 ( XRR) 对薄膜样品厚度的研究
201
106 ÷2. 2 = 48. 18 (倒空间)
反射率测量RR简介课件
反射率测量rr不仅与物体表面的微观结构有关，还与物体的 材质、颜色、透明度等因素有关。因此，通过反射率测量rr 可以深入了解物体的表面特性。
反射率测量rr的重要性
反射率测量rr在工业生产、科学研究、质量控制等领域具有重要意义。例如，在机械制造、电子工业、光学制造等领域，对物 体表面的光洁度要求越来越高，因此反射率测量rr成为衡量产品质量的重要手段。
未来发展趋势与挑战
技术创新
随着科技的不断发展，反射率测量技术将不断进行技术创 新和改进，提高测量精度和效率，降低成本，拓展应用领 域。
数据处理和分析
随着测量数据的不断增加，数据处理和分析将成为反射率 测量技术的关键问题之一。需要发展新的数据处理和分析 方法，提高数据处理效率和准确性。
多学科交叉
反射率测量技术将与多个学科交叉融合，如计算机视觉、 光谱分析、激光扫描等，形成更为复杂和综合性的技术体 系。
数据分析是通过对预处理后的数据进 行深入的统计、分析和解释，以提取 其中的规律和特征。这包括对数据进 行回归分析、聚类分析、频谱分析等 ，以揭示数据背后的物理规律和机制 。同时，还需要对数据进行校准和修 正，以消除系统误差和随机误差。
数据分析的结果需要进行合理的解释 ，以提取有用的信息并指导后续的决 策。这需要具备扎实的专业知识和丰 富的实践经验，以及对数据的深入理 解和综合分析能力。
反射率的范围通常在0-1之间，0表 示全吸收，1表示全反射。
反射率测量的数学模型
反射率测量公式
反射率测量公式通常基于光的反射定律和能量守恒定律，通过测量入射光能量 和反射光能量来计算反射率。
影响因素
反射率测量结果受到多种因素的影响，如入射光的波长、物体表面的结构、温 度、湿度等。
反射率测量rr的实验装置
反射率测量rr的重要性
反射率测量rr在工业生产、科学研究、质量控制等领域具有重要意义。例如，在机械制造、电子工业、光学制造等领域，对物 体表面的光洁度要求越来越高，因此反射率测量rr成为衡量产品质量的重要手段。
未来发展趋势与挑战
技术创新
随着科技的不断发展，反射率测量技术将不断进行技术创 新和改进，提高测量精度和效率，降低成本，拓展应用领 域。
数据处理和分析
随着测量数据的不断增加，数据处理和分析将成为反射率 测量技术的关键问题之一。需要发展新的数据处理和分析 方法，提高数据处理效率和准确性。
多学科交叉
反射率测量技术将与多个学科交叉融合，如计算机视觉、 光谱分析、激光扫描等，形成更为复杂和综合性的技术体 系。
数据分析是通过对预处理后的数据进 行深入的统计、分析和解释，以提取 其中的规律和特征。这包括对数据进 行回归分析、聚类分析、频谱分析等 ，以揭示数据背后的物理规律和机制 。同时，还需要对数据进行校准和修 正，以消除系统误差和随机误差。
数据分析的结果需要进行合理的解释 ，以提取有用的信息并指导后续的决 策。这需要具备扎实的专业知识和丰 富的实践经验，以及对数据的深入理 解和综合分析能力。
反射率的范围通常在0-1之间，0表 示全吸收，1表示全反射。
反射率测量的数学模型
反射率测量公式
反射率测量公式通常基于光的反射定律和能量守恒定律，通过测量入射光能量 和反射光能量来计算反射率。
影响因素
反射率测量结果受到多种因素的影响，如入射光的波长、物体表面的结构、温 度、湿度等。
反射率测量rr的实验装置
《反射和折射》课件
《反射和折射》PPT课件
通过本次课件，你将学习到关于光的重要基础：反射和折射。我们将深入介 绍其概念，规律，及其各种应用实例。让我们开始吧！
概念介绍
反射和折射的定义
光线碰到物体时被反弹回来叫做反射，通过 材料表面进入时被弯曲并传播叫折射。
光的传播方式
光可以沿直线传播，相互叠加，根据速度和 介质的不同而改变方向和速度。
反射
反射规律
反射角等于入射角，平面镜能 够产生高质量的反射光.
例题解析
如何使用反射规律计算出物体 的实际位置和镜像的位置.
实验演示
使用实验模拟人类眼睛是如何 观察反射光的.
折射
1 折射规律
2 例题解析
3 实验演示
光线在介质边界上的入 射角和折射角满足一定 比例关系，称之为斯涅 尔定律.
ห้องสมุดไป่ตู้
将通过实际案例来讲解 折射光的具体运用和计 算方法.
使用透明介质，放置物 体来演示折射的过程.
全反射
1
全反射的定义与条件
光线从光密介质射向光疏介质，入射角越大，光线折射角越大，一直当入射角等 于临界角时，折射角为90度，全反射现象发生.
2
例题解析
如何应用全反射来研究光纤传输的原理和构造.
3
实验演示
如何使用蜡烛在水面上模拟全反射现象.
应用实例
各种镜子的原理
平面镜，凹镜，凸镜等各种 镜子的反射原理，如何应用 到我们日常生活中.
光的导光特性
可用于建筑照明、手术照明、 汽车照明、室内装饰照明等 多种场合.
玻璃棱镜的原理与 应用
介绍棱镜的原理及其在实际 应用中的作用.
联系与区别
反射和折射的联系与区别
二者都是光的传播方式，但是反射产生的光可以形成镜像，而折射能够让我们看到物体的真 实位置
光的反射课件ppt
总结词
眼镜的矫正
车身反光镜是一种交通安全装置，通过光的反射原理，让驾驶员能够看到车后的情况，提高行车安全性。
总结词
车身反光镜是一种交通安全装置，它通过反射车后的视野，让驾驶员能够看到车后的情况，避免车辆碰撞等事故的发生。这种装置通常由反光玻璃或反光膜等材料制成，具有反光、折射等光学特性。
详细描述
车身反光镜的使用
1
镜子的应用
2
3
镜子是反射光的主要应用之一，可以用于个人仪容整理、环境照明、艺术表演等。
医学领域中，内窥镜和显微镜等设备也利用光的反射进行观察和诊断。
军事领域中，潜望镜和瞄准镜等设备也利用光的反射实现隐蔽观察和射击。
03
某些品牌的眼镜利用反射原理减少强光对眼睛的刺激，提高视觉舒适度。
反射镜在生活中的应用
xx年xx月xx日
光的反射课件ppt
光的反射概述光的反射原理光的反射的应用光的反射实验及演示光的反射在日常生活中的应用实例光的反射在科学领域中的应用实例
contents
目录
01
光的反射概述
光在两种不同介质表面传播方向一般会发生改变
光在传播过程中遇到障碍物时会在障碍物表面发生反射
光反射是光学现象中最基本的现象之一
反射角等于入射角
入射光线、反射光线和法线在同一平面内
入射光线和反射光线分别位于法线两侧
02
光的反射原理
光在均匀介质中传播
反射定律
反射类型
光的反射现象的物理原理
镜面反射是指光线照射到光滑的表面时，以平行的方式反射回来；而漫反射是指光线照射到粗糙的表面时，以杂乱无章的方式反射回来。
区别
镜面反射和漫反射都是光的反射现象，都遵循反射定律。在日常生活中，许多物体表面都是既非完全光滑又非完全粗糙的，因此同时存在镜面反射和漫反射。
眼镜的矫正
车身反光镜是一种交通安全装置，通过光的反射原理，让驾驶员能够看到车后的情况，提高行车安全性。
总结词
车身反光镜是一种交通安全装置，它通过反射车后的视野，让驾驶员能够看到车后的情况，避免车辆碰撞等事故的发生。这种装置通常由反光玻璃或反光膜等材料制成，具有反光、折射等光学特性。
详细描述
车身反光镜的使用
1
镜子的应用
2
3
镜子是反射光的主要应用之一，可以用于个人仪容整理、环境照明、艺术表演等。
医学领域中，内窥镜和显微镜等设备也利用光的反射进行观察和诊断。
军事领域中，潜望镜和瞄准镜等设备也利用光的反射实现隐蔽观察和射击。
03
某些品牌的眼镜利用反射原理减少强光对眼睛的刺激，提高视觉舒适度。
反射镜在生活中的应用
xx年xx月xx日
光的反射课件ppt
光的反射概述光的反射原理光的反射的应用光的反射实验及演示光的反射在日常生活中的应用实例光的反射在科学领域中的应用实例
contents
目录
01
光的反射概述
光在两种不同介质表面传播方向一般会发生改变
光在传播过程中遇到障碍物时会在障碍物表面发生反射
光反射是光学现象中最基本的现象之一
反射角等于入射角
入射光线、反射光线和法线在同一平面内
入射光线和反射光线分别位于法线两侧
02
光的反射原理
光在均匀介质中传播
反射定律
反射类型
光的反射现象的物理原理
镜面反射是指光线照射到光滑的表面时，以平行的方式反射回来；而漫反射是指光线照射到粗糙的表面时，以杂乱无章的方式反射回来。
区别
镜面反射和漫反射都是光的反射现象，都遵循反射定律。在日常生活中，许多物体表面都是既非完全光滑又非完全粗糙的，因此同时存在镜面反射和漫反射。
XRR 测量步骤
反射率测量步骤
1.0.2毫米GM发散狭缝， 0.6毫米探测器防散
射狭缝， 0.1毫米探测器狭缝。
2.0.2 毫米（2个）铜吸收片，探测器扫描，Zi
探测器。
3.光管和探测器都放到0。
放上样品， z扫描，
强度一半。
做摇摆曲线（-1 to 1），双击最
高点，再做一次z扫描，强度一半。
4.把2theta (注意不是探测器)定在0.5 度，做摇
摆曲线。
应该看到一个最强峰（全反射峰）。
双击峰的位置。
5.如果全反射峰的强度小于4Kcps，可以去掉
一个铜吸收片,留下一个吸收片。
作
2theta/omega 扫描。
会看到反射震荡条纹。
6.当强度下降到4Kcps后，去掉另外一个铜吸
收片。
再接着扫（continue）。
结束后存盘。
7.或者在Wizard里面编辑测量，编辑两个测量range，在去掉铜吸收片的位置为他们的结合点。
在delay time里定30 秒去拿掉铜吸收片。
the scan starts。
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22
反射率测量实例 LaZrO on Si
0
1*10 1*10 1*10
-1
-2
Intensity [au]
1*10 1*10 1*10 1*10 1*10 1*10
-3
-4
6.7 nm LaZrO Si (111)
-5
-6
-7
-8
2
4
6
8
10
12
14
23
使用分析晶体的XRR 测量配置
没有结构 样品表面粗糙度< 5nm 膜层和衬底，或者不同的 膜层之间存在比较显著的 物质或者电子密度差异 沿着x射线的方向，样品长 度至少3-5毫米。
5
反射率测量(XRR)的基本原理
•X射线在样品表面发生反射 和折射现象 •折射光进入样品内部，在薄 膜于衬底/下一层 的界面又发 生反射和折射。 •两束反射光束发射干涉，产 生干涉条纹
不同的仪器分辨率 光斑样品表面尺寸
16
最简单的XRR仪器设置
• 狭缝尺寸50-100 µm • 最高强度大约107 cps • 背底较高
17
Göbel Mirror原理
Goebel mirror Parabola
X-ray source
Sample
• GM镜将大约≈0.35°的发散光聚焦成1.2 mm的平行光 (60-mm mirror) • 强度>109 cps • 背底低，只有Kα
晶体和非晶材料
XRR 可以提供哪些信息?
薄膜厚度 0.1 nm – 1000 nm 材料密度 < 1-2% 表面和界面粗糙度 < 3-5 nm
3
可获得的样品信息
膜层厚度
化学成分 膜层密度
表面和界面粗糙度
镜面反射
4
反射率测量(XRR)对样品的要求
可以在样品中看到 你的影子
平整样品表面，二维方向
•分析晶体提高了2theta 的
角度分辨率
• 1-bounce Ge(220) • 3-bounce Ge(220)
• 分析晶体将x射线单色化，同时可以接收全部的反射束，无需探测器狭缝 • 强度 ≈ 3x107 cps (for a 3-bounce analyzer)
1
提
纲
ＸＲＲ介绍 仪器硬件选择和测量配置
ＸＲＲ数据解析
2
什么是薄膜的反射率测量(XRR)?
反射率测量（XRR）是利用X射线在物质中发生的折射和反射（表 面，界面），以及反射线之间的互相干涉对薄膜的性质（密度，厚 度，粗糙度）进行研究的一种方法
对材料表面非常敏感的技术
无损 纳米尺度检测
6
反射率和密度的关系
样品的密度越高，全反射角越大。
c
样品的电子密度越高，高角度的
反射强度越大
c r 2
4
7
反射率和粗糙度的关系
8
反射率和粗糙度的关系
两种不同的粗糙度
大尺度的-Waviness
• 〉100 nm •使反射光的宽度增大 •没有任何有用信息 • XRR无效 •样品表面要平
20
不同狭缝宽度的XRR测量数据
1e7
1e6
1e5
with 0.6 mm slit with 0.1 mm slit ~ 5 min ~ 6.5 h
1e4
1000
100
0
1
2
3
4
5
6
7
21
超薄材料的 XRR测量配置
• 入射光路狭缝很宽 • 长索拉的角度分辨率~0.1° • 强度 ≈ 8x108 cps
4 different absorber foils
standard absorption factors:
1 - ~10 - ~100 - ~10000
Rotary absorber
19
标准的XRR 测量设置
• 可以通过改变狭缝的宽度改变仪器的分辨率 • 狭缝通常0.1 – 0.2 mm • 强度 ≈ 2x108 cps
18
Handling the high flux: Rotary Absorber 自动旋转吸收片
Scintillation counters linear up
to 2 x 105 cps
10,000 times more intensity
from the tube side
4-position wheel with places for
包含了粗糙度模型的反射系数公式
R ( q z ) R F ( q z ) exp 2 q z 2 / 2
Exponential decay
10
反射率和粗糙度的关系
•粗糙度降低了反射光线的强度 •XRR 对粗糙度是非常敏感的
•粗糙度造成X-射线的漫散射
•样品的界面和表面粗糙度要不大 于3-5 nm.
/ 2 d
I ( q ) S (Q ) R ( q Q ) dQ
2
14
反射率干涉条纹振幅
•反射率测量对膜层的电子密 度很敏感
•反射率干涉条纹振幅随着膜 层之间 密度差异的增大而增 大。
•“好的”反射率样品膜层之 间的电子密度差异要大
15
反射率测量仪器和实验配置
平行光几何
waviness
microscopic roughness
微观尺度的粗糙
•原子级到-几个纳米 •使得反射光的强度降低 •XRR可接受
9
反射率和粗糙度的关系
微观粗糙度模型
界面为微观粗糙震荡的集合
w( z )
z2 w( z ) exp 2 2 2 2 1
rms-roughness σ: = standard deviation of the Gaussian distribution
11
反射率和膜层厚度的关系
12
反射率和膜层厚度的关系
•不同界面的反射光相互干涉形成干 涉条纹
q z 2 / d
•最小的可测量膜层厚度是由测量范 围决定的 •最大的可测量膜层厚度是由仪器分 辨率决定的 •样品的膜厚范围应在仪器的可测范 围之内.
13
XRR测量的仪器分辨率
qx qz
•通过直射光的扫描半峰宽ΔΨ可 以估算仪器的分辨率
i
q
f ki kf
/ 2
q z 2 k cos( )
q x q z
•测量特定膜层厚度的前提
The scattering function S is convoluted with the resolution function R of the instrument:
反射率测量实例 LaZrO on Si
0
1*10 1*10 1*10
-1
-2
Intensity [au]
1*10 1*10 1*10 1*10 1*10 1*10
-3
-4
6.7 nm LaZrO Si (111)
-5
-6
-7
-8
2
4
6
8
10
12
14
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使用分析晶体的XRR 测量配置
没有结构 样品表面粗糙度< 5nm 膜层和衬底，或者不同的 膜层之间存在比较显著的 物质或者电子密度差异 沿着x射线的方向，样品长 度至少3-5毫米。
5
反射率测量(XRR)的基本原理
•X射线在样品表面发生反射 和折射现象 •折射光进入样品内部，在薄 膜于衬底/下一层 的界面又发 生反射和折射。 •两束反射光束发射干涉，产 生干涉条纹
不同的仪器分辨率 光斑样品表面尺寸
16
最简单的XRR仪器设置
• 狭缝尺寸50-100 µm • 最高强度大约107 cps • 背底较高
17
Göbel Mirror原理
Goebel mirror Parabola
X-ray source
Sample
• GM镜将大约≈0.35°的发散光聚焦成1.2 mm的平行光 (60-mm mirror) • 强度>109 cps • 背底低，只有Kα
晶体和非晶材料
XRR 可以提供哪些信息?
薄膜厚度 0.1 nm – 1000 nm 材料密度 < 1-2% 表面和界面粗糙度 < 3-5 nm
3
可获得的样品信息
膜层厚度
化学成分 膜层密度
表面和界面粗糙度
镜面反射
4
反射率测量(XRR)对样品的要求
可以在样品中看到 你的影子
平整样品表面，二维方向
•分析晶体提高了2theta 的
角度分辨率
• 1-bounce Ge(220) • 3-bounce Ge(220)
• 分析晶体将x射线单色化，同时可以接收全部的反射束，无需探测器狭缝 • 强度 ≈ 3x107 cps (for a 3-bounce analyzer)
1
提
纲
ＸＲＲ介绍 仪器硬件选择和测量配置
ＸＲＲ数据解析
2
什么是薄膜的反射率测量(XRR)?
反射率测量（XRR）是利用X射线在物质中发生的折射和反射（表 面，界面），以及反射线之间的互相干涉对薄膜的性质（密度，厚 度，粗糙度）进行研究的一种方法
对材料表面非常敏感的技术
无损 纳米尺度检测
6
反射率和密度的关系
样品的密度越高，全反射角越大。
c
样品的电子密度越高，高角度的
反射强度越大
c r 2
4
7
反射率和粗糙度的关系
8
反射率和粗糙度的关系
两种不同的粗糙度
大尺度的-Waviness
• 〉100 nm •使反射光的宽度增大 •没有任何有用信息 • XRR无效 •样品表面要平
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不同狭缝宽度的XRR测量数据
1e7
1e6
1e5
with 0.6 mm slit with 0.1 mm slit ~ 5 min ~ 6.5 h
1e4
1000
100
0
1
2
3
4
5
6
7
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超薄材料的 XRR测量配置
• 入射光路狭缝很宽 • 长索拉的角度分辨率~0.1° • 强度 ≈ 8x108 cps
4 different absorber foils
standard absorption factors:
1 - ~10 - ~100 - ~10000
Rotary absorber
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标准的XRR 测量设置
• 可以通过改变狭缝的宽度改变仪器的分辨率 • 狭缝通常0.1 – 0.2 mm • 强度 ≈ 2x108 cps
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Handling the high flux: Rotary Absorber 自动旋转吸收片
Scintillation counters linear up
to 2 x 105 cps
10,000 times more intensity
from the tube side
4-position wheel with places for
包含了粗糙度模型的反射系数公式
R ( q z ) R F ( q z ) exp 2 q z 2 / 2
Exponential decay
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反射率和粗糙度的关系
•粗糙度降低了反射光线的强度 •XRR 对粗糙度是非常敏感的
•粗糙度造成X-射线的漫散射
•样品的界面和表面粗糙度要不大 于3-5 nm.
/ 2 d
I ( q ) S (Q ) R ( q Q ) dQ
2
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反射率干涉条纹振幅
•反射率测量对膜层的电子密 度很敏感
•反射率干涉条纹振幅随着膜 层之间 密度差异的增大而增 大。
•“好的”反射率样品膜层之 间的电子密度差异要大
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反射率测量仪器和实验配置
平行光几何
waviness
microscopic roughness
微观尺度的粗糙
•原子级到-几个纳米 •使得反射光的强度降低 •XRR可接受
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反射率和粗糙度的关系
微观粗糙度模型
界面为微观粗糙震荡的集合
w( z )
z2 w( z ) exp 2 2 2 2 1
rms-roughness σ: = standard deviation of the Gaussian distribution
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反射率和膜层厚度的关系
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反射率和膜层厚度的关系
•不同界面的反射光相互干涉形成干 涉条纹
q z 2 / d
•最小的可测量膜层厚度是由测量范 围决定的 •最大的可测量膜层厚度是由仪器分 辨率决定的 •样品的膜厚范围应在仪器的可测范 围之内.
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XRR测量的仪器分辨率
qx qz
•通过直射光的扫描半峰宽ΔΨ可 以估算仪器的分辨率
i
q
f ki kf
/ 2
q z 2 k cos( )
q x q z
•测量特定膜层厚度的前提
The scattering function S is convoluted with the resolution function R of the instrument: