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利用掠入射X射线技术表征高分子薄膜

张吉东;莫志深

【摘要】掠入射X射线技术是一种表征高分子薄膜的结晶性、厚度、界面粗糙度

等物理量的新方法,本文简单介绍了这种技术中X射线反射率法和掠入射X射线衍

射法的基本原理、测试和分析方法以及这些方法在高分子薄膜研究中的应用.

【期刊名称】《大学化学》

【年(卷),期】2009(024)002

【总页数】7页(P1-6,9)

【作者】张吉东;莫志深

【作者单位】中国科学院长春应用化学研究所,高分子物理与化学国家重点实验室,

吉林长春,130022;中国科学院长春应用化学研究所,高分子物理与化学国家重点实

验室,吉林长春,130022

【正文语种】中文

【中图分类】O6

随着科学技术的发展，厚度仅为纳米级的高分子薄膜在如微电子器件、生物医用、

巨磁薄膜等领域得到越来越多的应用。对这些薄膜的结晶性以及厚度、界面情况等

的表征是很重要的。由于一些界面是埋在高分子薄膜下方，很难用如扫描电子显微

镜、扫描探针显微镜等手段表征出来;同时由于高分子薄膜的衍射信号较弱，而且

容易被基底信号掩盖，所以用常规X射线衍射方法很难表征出高分子薄膜的结晶

性。掠入射X射线技术的出现为这方面的研究提供了一个新的机遇。

掠入射X射线(GrazingincidentX－ray)技术是一种新颖的测试薄膜的技术［1－

2］，在测试时，X射线以很小角度入射到样品表面，几乎与样品平行。一般有两

种测量模式:对称耦合模式和非耦合模式。前者测试时入射角与反射角同步等步长

增加，亦称X射线反射率(X－rayReflectivity，XRR)的测量，常用于测量薄膜的

密度、厚度、粗糙度以及密度分布等信息。后者测试时入射角不变，探测器在大角

区扫描测量衍射信号，亦被称为掠入射X射线衍射(GrazingincidentX－ray

diffraction，GIXRD)，常被用来表征薄膜的结晶信息(如晶型、取向、结晶度、微

晶尺寸等)。本文简单介绍掠入射X射线技术的基本原理和在高分子薄膜表征中的

一些初步应用。

在X射线范围内，折射率可表示为如下的复数形式:

式中

δ(r)与色散有关，β(r)与吸收有关。一般材料的色散δ(r)大于项0;NA为

Avogadro常数;λ为X射线波长;ρi(r)是位r于处、原子量为Ai、原子序数为Zi

的第i个组分的电子密度;经典电子半径re(或称Thomson电子散射长)的数值为

re=e2/4πε0mc2=2．814×10－4nm;f和f″分别为实的(色散项)和虚的(吸收项)反

常因子。

理论计算表明，吸收项β值一般要比色散项δ值小2～3个数量级;故在计算折射

率n(r)时，常把β(r)值略去，即:

在掠入射条件下，X射线由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2)时(图1)，根据光学

中的Snell定律，有:2

式中n1，n2分别为介质1，2的折射率。真空或空气的n=1，而一般物质的n值

略小于1，因此当入射角小到一定程度时会发生只有反射而没有折射的现象，这被

称为全反射，这个角度称为临界角(用αc表示)。在临界角入射状态，折射角αt=0，

则有:

所以

这表明临界角αc与X射线波长及介质的电子密度有关。

当入射角αi大于临界角αc时，X射线光束穿透到薄膜中。X射线在薄膜的上表面

和下表面发生反射。

薄膜上表面反射的X射线和经过上表面折射→下表面反射→上表面折射的X射线

会发生干涉，入射角变化时产生干涉条纹，称为Kiessig干涉条纹。由Kiessig干

涉条纹的振动周期Δαi可以求出膜的厚度:

这里qz=4πsinαi/λ。因为角度很小，在以弧度为单位进行计算时，可以将sinα

近似为α，故有d≈λ/(2Δαi)。

厚度的测试范围一般由仪器的宽化因子决定，一般这个参数受X射线平行度和接

受部分的狭缝决定。在目前的技术水平下，前者的限制作用较大，如在铜靶的

Kα1线的波长下，使用索拉狭缝限光的X射线衍射仪的X射线平行度约为0．15°，

对应的测试极限约为60nm;新出现的多层反射镜技术(如Göbel镜)可使X射线平

行度达到0．04°，对应的测试极限约为220nm;而采用多层反射镜+双晶准直器，

在目前的最好情况是使平行度达到0．0014°，对应的测