Investigation of Ni on Si thin film with ARL EQUINOX 100 X-ray Diffractometer

Význam tématu

Charakterizace tenkých filmů a povlaků je klíčová pro rozvoj moderních materiálů v energetice, optice i elektronice. Struktura a tloušťka vrstev zásadním způsobem ovlivňují jejich elektrické, optické a mechanické vlastnosti, což je nezbytné pro vývoj solárních článků, LED diod, laserů nebo optických povrchů.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřuje na kombinovanou analýzu vrstvy niklu nanesené na křemíkový substrát (tloušťka ~307 Å). Hlavní cíle byly:

• Určit krystalografickou strukturu Ni vrstvy pomocí GIXRD.
• Stanovit tloušťku a drsnost vrstvy prostřednictvím XRR.

Použitá metodika a instrumentace

Pro měření byl použit benchtop rentgenový difraktometr Thermo Scientific ARL EQUINOX 100 vybaven tenkovrstvou montáží. Metodika zahrnovala:

• Grazing Incidence XRD (grazing angle 0,5°) s CuKα paprskem (λ=1,541874 Å) pro strukturální analýzu.
• X-ray Reflectometry v rozsahu 0–4° 2θ pro stanovení tloušťky a drsnosti vrstvy.
• Software SYMPHONIX pro zpracování dat, MATCH! s COD databází pro fázovou analýzu a MAUD pro modelování a refinaci XRR dat.

Hlavní výsledky a diskuse

GIXRD vzor ukázal typickou fázovou signaturu niklu v kubické strukturální modifikaci Fm3m (a = 3,5238 Å). Díky zakřivenému detektoru CPS došlo k velmi rychlému pořízení kompletního snímku během jedné minuty.
Modelová refinice XRR dat odhalila následující parametry:

• Tloušťka Ni vrstvy: 320,7 ± 1,1 Å (odchylka 5 % od referenční hodnoty).
• Povrchová drsnost: 3,78 ± 0,32 Å.
• Statistická kvalita fitu: Rwp = 0,042, χ² = 2,47.

Dosazené parametry potvrzují, že benchtop systém poskytuje dostatečnou přesnost pro průmyslové i akademické aplikace.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nabízí:

• Rychlé a spolehlivé rozlišení krystalických a amorfních fází v tenkých vrstvách.
• Přesné stanovení tloušťky a drsnosti bez nutnosti speciální infrastruktury.
• Přenosný přístroj vhodný pro QA/QC v laboratořích i v terénu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření aplikace difrakčních a reflexometrických metod v kombinaci s umělou inteligencí pro automatizaci vyhodnocení dat. Dalším směrem je vývoj kompaktních detektorů s vyšším úhlovým rozlišením a integrované systémy pro in situ sledování růstu vrstev.

Závěr

ARL EQUINOX 100 v kombinaci s tenkovrstvou montáží představuje efektivní a uživatelsky přívětivé řešení pro základní i rutinní analýzu tenkých filmů. Krátká doba měření a jednoduché zarovnání vzorku umožňují široké využití v průmyslovém i akademickém prostředí.

Reference

Thermo Fisher Scientific. Application Note AN41108, 2023.