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《薄膜结构X射线表征》力图理论联系实验、深入浅出，而又不失先进性、实用性和普适性。可供从事薄膜材料和器件研究的研究人员和工程技术人员参考，对从事薄膜材料和器件研制与开发的专业人员也有参考价值，也可作为高等院校和研究院所凝聚态物理、材料科学和有关薄膜科学技术专业及相关专业的教师和研究生的教学用书和参考书。
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| 內容簡介： |
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《薄膜结构X射线表征》结合作者二十多年来的工作积累和国内外最新进展，系统介绍应用X射线衍射和散射技术表征薄膜微结构的多种基本实验装置、实验数据分析理论以及典型的薄膜微结构表征实例。《薄膜结构X射线表征》分3篇共19章：第1篇为基本实验装置第1～3章，主要介绍X射线源、X射线准直和单色化、各种探测器以及薄膜X射线衍射仪和表面界面散射装置。第2篇为基本理论第4～10章，介绍薄膜X射线衍射和散射实验数据分析所用的相关理论，包括用于薄晶体或小晶体多层膜和金属多层膜的X射线衍射运动学理论；用于近完美多层膜、半导体超晶格和多量子阱的X射线衍射动力学理论；用于原子密度和晶格参数很接近的金属多层膜的X射线异常衍射精细结构理论；用于薄膜和多层膜表面与界面分析的X射线反射、漫散射理论以及掠入射衍射理论。基本覆盖了目前应用X射线衍射和散射技术研究薄膜结构所需要的理论。第3篇为薄膜微结构表征第11～19章，介绍应用X射线衍射和散射技术表征薄膜微结构的实例，除了总结作者二十多年来在薄膜研究中所解决的微结构表征实例外，还尽量收集近年来国内外有关的重要结果，以供读者参考。薄膜的种类涉及半导体外延膜及超晶格材料、超导异质薄膜材料、金属磁性多层膜材料、软物质薄膜和有机半导体薄膜。表征的微结构包括单层膜和多层膜厚度、点阵参数、应力、表面与界面、缺陷、弛豫横向、调制结构以及钙钛矿结构氧八面体畸变。
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| 目錄：
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第二版前言
第一版序
第一版前言
第1篇基本实验装置
第1章X射线源与X射线探测麦振洪贾全杰
1.1X射线源
1.1.1X射线产生和X射线谱
1.1.2封闭式X射线管
1.1.3同步辐射光源
1.2X射线准直和单色化
1.2.1狭缝
1.2.2双晶单色器
1.2.3多晶单色器
1.3X射线探测器
1.3.1计数器
1.3.2位置灵敏探测器
1.3.3面探测器
参考文献
第2章薄膜X射线衍射仪李建华
2.1高分辨共面X射线衍射仪
2.2掠入射衍射装置
2.3测量分辨率的分析
参考文献
第3章表面界面X射线散射罗光明麦振洪
3.1固体表面界面X射线反射和漫散射装置
3.2液体表面界面X射线反射和散射装置
参考文献
第2篇基 本 理 论
第4章X射线衍射运动学理论麦振洪
4.1引言
4.2X射线衍射几何
4.2.1劳厄方程
4.2.2布拉格方程
4.3倒易点阵
4.3.1倒易点阵定义
4.3.2色散面——Ewald球
4.4X射线衍射强度
4.4.1单电子散射
4.4.2原子散射因子
4.4.3结构因子
4.5薄晶体衍射强度
参考文献
第5章金属多层膜的X射线衍射运动学理论罗光明麦振洪
5.1成分混合合金化的多层膜
5.2[AB]N多层膜
参考文献
第6章X射线衍射动力学理论一——完美晶体麦振洪罗光明
6.1引言
6.2完美晶体中X射线波动方程
6.3双光束近似
6.4色散面
6.5劳厄几何晶体内波场振幅
6.6布拉格几何晶体内波场振幅
6.6.1无吸收晶体的反射率
6.6.2有吸收晶体的反射率
6.7双轴晶衍射摇摆曲线的理论计算
参考文献
第7章X射线衍射动力学理论二——畸变晶体麦振洪
7.1引言
7.2晶体中的调制波
7.3高木方程
7.4高木方程的都平形式
7.5多层膜结构的X射线双轴晶摇摆曲线计算
7.5.1概述
7.5.2外延材料反射率的X射线衍射动力学理论解
7.5.3迭代公式中参数的计算
7.6应变弛豫超晶格的X射线双轴晶摇摆曲线计算
7.6.1弛豫机制与应变分布
7.6.2取向差与峰形展宽
参考文献
第8章X射线异常衍射精细结构理论罗光明
8.1没有周期调制的多层膜
8.2[AB]n多层膜
8.3实验方法
8.4DAFS谱线的分析方法
参考文献
第9章X射线掠入射衍射理论贾全杰姜晓明
9.1概述
9.2X射线掠入射衍射准运动学理论
9.2.1DWBA
9.2.2DWBA下薄膜材料的掠入射衍射理论
9.3掠入射衍射的应用
参考文献
第10章X射线界面反射和漫散射理论李明罗光明
10.1X射线镜面反射
10.2粗糙表面的散射一——玻恩近似
10.3粗糙表面的散射二——DWBA理论
10.4多层膜的DWBA散射理论
10.5界面起伏的关联函数
10.5.1表面关联函数
10.5.2自仿射关联
10.5.3多层膜界面之间的关联
参考文献
第3篇薄膜微结构表征
第11章单层膜和多层膜厚度李建华
11.1单层膜和多层膜共面X射线衍射
11.2埋层的探测
11.2.1高分辨X射线衍射
11.2.2X射线镜面反射
参考文献
第12章外延膜的晶格参数？应力与组分麦振洪
12.1共面X射线双轴晶衍射
12.2薄膜残余应力检测的X射线mapping技术
12.3掠入射衍射
参考文献
第13章薄膜表面与界面李明麦振洪罗光明
13.1X射线镜面反射
13.1.1氧化物薄膜界面
13.1.2磁性金属多层膜界面
13.1.3BaTiO3Pt 界面的“dead layer”
13.2X射线漫散射
13.2.1ZnTeZnSxTe1-x超晶格中的生长台阶
13.2.2长周期BeTeZnSe超晶格界面台阶上的无规起伏
13.2.3短周期BeTeZnSe超晶格界面的化学键
13.3X射线异常衍射精细结构
13.3.1埋层量子线
13.3.2在金属多层膜中的应用
参考文献
第14章横向调制结构李建华贾全杰
14.1表面栅格结构
14.2横向成分调制结构
14.3量子线结构
14.4量子点结构
14.5原子有序结构
参考文献
第15章外延膜中的缺陷李建华李明麦振洪
15.1倒易空间X射线散射强度分布
15.2应变弛豫
15.2.1晶格失配应变
15.2.2成分梯度应变
15.3失配位错
15.3.1位错的X射线漫散射
15.3.2低密度位错
15.3.3高密度位错
15.4X射线反射形貌术
15.4.1BergBarrett反射形貌术
15.4.2双轴晶形貌术
参考文献
第16章软物质薄膜与界面李明罗光明
16.1液体薄膜与界面
16.1.1实验方法
16.1.2液体薄膜
16.2固液界面的磷脂多层膜
16.2.1磷脂多层膜结构的X射线散射研究
16.2.2磷脂多层膜的溶胀
16.3表面活性剂多层膜
16.3.1水对硬脂酸膜界面起伏的影响
16.3.2LB膜的界面粗糙化与生长动力学
16.4小分子及离子相关液体界面
16.5三价态离子在水空气界面的结构
参考文献
第17章薄膜晶体结构的表征和测定刘华俊杨平
17.1布拉维晶胞和点阵参数的测定
17.1.1RSV法
17.1.2六维矢量法G6空间法
17.1.3实验条件和分辨率
17.1.4外延薄膜结构实例
17.1.5讨论
17.2晶粒，孪晶，调制结构和点阵参数
17.2.1晶粒和相界
17.2.2单斜孪晶在RSM图上的行为
17.2.3四方相a畴和c畴的行为
17.2.4调制结构
17.2.5四方相a畴，c畴的模拟和三方相纳米孪晶的讨论
17.3氧八面体转动的测定
17.3.1钙钛矿结构
17.3.2氧八面体转动的Glazer分类
17.3.3半指数晶面衍射法
17.3.4结构分析实例
17.4COBRA界面结构分析方法
17.4.1表面衍射与晶体截断杆
17.4.2COBRA原理与方法
17.4.3结构分析实例
17.5外延薄膜的单晶结构分析
17.5.1单晶结构分析方法
17.5.2薄膜分析的困难
17.5.3实验方法与数据处理
17.5.4结构分析实例
17.6结语
参考文献
第18章钙钛矿结构氧八面体畸变的X射线表征吴小山
18.1钙钛矿氧化物的特殊电子结构
18.2过渡金属钙钛矿氧化物中八面体畸变的X射线表征方法
18.3扩展X射线吸收精细结构方法
18.4掠入射反射在界面氧八面体结构畸变中的应用
18.4.1掠入射反射确定膜厚
18.4.2X射线漫散射技术
18.4.3晶体截断杆技术
18.5高分辨衍射技术
18.5.1高分辨衍射
18.5.2倒易空间X射线散射强度分布图
参考文献
第19章有机半导体薄膜晶体结构的表征张吉东
19.1有机半导体简介
19.2有机半导体薄膜的受限结晶
19.2.1有机半导体材料的结晶结构
19.2.2有机半导体材料在薄膜中的受限结晶
19.3有机半导体薄膜结晶结构的X射线衍射表征技术
19.3.1常规X射线衍射技术
19.3.2X射线掠入射衍射技术
19.4有机半导体薄膜结晶结构的X射线衍射表征
19.4.1有机半导体薄膜的三维结晶结构
19.4.2归属有机半导体薄膜的晶型
19.4.3有机半导体薄膜的精细结构差别
19.4.4有机半导体薄膜的结晶度
19.4.5有机半导体薄膜的取向表征
19.4.6有机半导体薄膜结晶结构演变的实时表征
参考文献
索引
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| 內容試閱：
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"第1篇基本实验装置
本篇介绍薄膜X射线衍射仪和表面界面散射实验装置，包括各类X射线源？X射线准直器？单色器和分析晶体等光学元件，以及各类X射线探测器？由于薄膜材料的特殊性， 薄膜X射线衍射仪在各种光学元件的选择及配置上必须作一些特殊的考虑？不同的实验问题对X射线衍射仪的要求也有所不同？通过介绍高分辨衍射仪和掠入射衍射仪的配置，并对各种条件下的分辨率作概要的分析，使读者对实验条件？实验装置配置以及测量分辨率分析有初步的了解，作为实验时分辨率选择的基本依据？
第1章X射线源与X射线探测
1895年11月8日，德国维尔茨堡大学伦琴Wilhelm Conrad Rontgen教授在做阴极射线实验时，发现了一种看不见的射线从管中阴极射线轰击的那个电极发射出来，经过一个多月全神贯注的实验探索，他确认这是一种新的射线——X射线？X射线的发现标志着现代物理学的诞生，推动了现代化学和现代生物学的创立和发展，对物理学以至整个科学技术产生了极为深刻的影响？
X射线和普通光一样，是一种电磁波，但波长很短，光子能量hν很大，穿透力很强？X射线波长一般为0.01~10，薄膜微结构X射线表征中常用的X射线波长为0.5~1.5，而X射线结构分析中常用的X射线波长为0.5~2？本章重点介绍与薄膜微结构表征有关的X射线源及探测技术，力图简单扼要，详细内容可参考有关专著？
1.1X 射线源
1.1.1X射线产生和X射线谱
当高速运动的电子与物质相碰撞时会发生两种形式的能量交换:一是电子运动突然受到阻止，产生极大的负加速度，根据经典电动力学可知，必然会产生一个电磁波？一个电子所减少的能量ΔE转变为一个X射线光子，由爱因斯坦Einstein方程可得光子的频率ν:
ΔE=hν1.1
式中，h为普朗克常量？
由于数量很大的电子所具有的动能不同，穿透物质深浅不同，动能降低多少不一，因此，产生的X射线波长也不一样？它给出波长连续变化的谱带，称为“白色”X射线或轫致辐射？轫致辐射与物质的性质无关，波长最短的是那些保持原有动能的电子产生的X射线，“白色”X射线最短波长与加速电压的关系为
λmin=hceV=12398V 1.2
式中，e为电子电荷;c为光速;V为电子加速电压，单位为V？
另一种能量交换形式是，高速运动的电子把原子内层如K层的电子轰出，原子被电离，当外层电子跃迁进入内层空位时，位能下降而发出X射线？这类X射线波长由碰撞物质所决定，不同的材料具有不同的特定波长，称为特征X射线或特征辐射？特征辐射的波长与物质材料有关，与加速电压无关，用于薄膜微结构表征，多晶X射线衍射分析和单晶结构分析都是应用特征X射线？
图1.1是特征X射线产生示意图？从固体物理知，主量子数n=1 称为K层，n=2称为L层，n=3称为M层 电子由L层跃迁至K层空位发出的X射线称为Kα，L层内有三个不同能级，由量子力学选择定则只有两个能级的电子允许跃迁入K层？因此，Kα由Kα1和Kα2组成，Kα1的强度为Kα2的2倍，而波长较Kα2短0.004？由M层电子跃迁入K层空位发出的X射线称为Kβ？同样，Kβ是由Kβ1和Kβ2组成的，由于Kβ2强度很弱而常被忽略？Kβ的强度为Kα的15，为了得到高强度和高分辨率，薄膜微结构表征通常采用Kα1？
图1.1特征X射线产生示意图
1.1.2封闭式X射线管
X射线源是提供X射线的装置，通称X射线机或X射线发生器？它由X射线管？高压发生器？稳压稳流系统？控制系统？水冷系统以及各种安全保护电路组成？
图1.2是封闭式X射线管的构造示意图？阳极靶由高纯物质组成，阴极灯丝一般用细的钨丝绕成一长的螺旋形？工作时阳极和阴极之间加30~60kV负高压，从阴极灯丝发射出热电子束，在高电压加速下，经聚焦罩作用下会聚成线状，轰击阳极靶，发出X射线？值得指出的是，X射线管发射的X射线包含轫致辐射和特征辐射，如图1.3所示？另外，电子所具有的能量转变为X射线的部分非常小，X射线管的效率η可表达为
η=1.1×10-9ZV1.3
式中，Z为阳极物质的原子序数;V为X射线管工作电压？因此，要求阳极靶材料为导热良好？熔点高的纯金属，同时必须用足量的流动冷水冷却，以带走热量？用于薄膜结构表征的X射线管的靶材料有Mo？Cu？Co等，用于X射线衍射分析的X射线靶材有Ag？Mo？Cu？Co？Fe？Cr等，如果要用“白光”X射线可以用W靶？值得注意的是，由于Kα和Kβ辐射的激发电压接近，所以X射线管发射的辐射一般都含有Kα和Kβ？对于分辨率要求高的实验可采用滤波片把Kβ滤掉，如图1.4所示？表1.1列出常用阳极材料X射线特征波长和滤波条件？
图1.2封闭式X射线管的构造示意图
图1.3X射线管发射的光谱
图1.4应用Ni吸收谱把Cu靶Kβ辐射滤掉
使用X射线管还应注意焦斑和取出角？焦斑是靶面被电子轰击的面积，X射线的强度由单位面积焦斑的功率来决定？对X射线衍射分析一般常用线状焦斑，而X射线形貌术采用点状焦斑？取出角的定义为X射线管阳极平面与X射线出射方向的夹角，对于不同的取出角，最佳电压选择由等功率曲线决定，不同靶材料的等功率曲线不相同，其功率曲线峰值位置与取出角有关？如对Cu靶，工作电压为35kV时，取出角为3°，而工作电压为45kV时，取出角为6°？因此，X射线衍射仪的取出角一般为6°？
为了提高出射X射线的亮度以满足某些实验的需要，可以采用细聚焦X射线管或旋转阳极X射线发生器？因篇幅有限，本章不予介绍？
1.1.3同步辐射光源
同步辐射synchrotron radiation，SR是高能量电子或正电子做加速运动时所发射的电磁辐射？1947年，Elder[1] 首先在电子加速器上观察到同步辐射，标志着一种新的光源时代开始，从20世纪40年代第一代同步辐射光源到20世纪90年代第三代同步辐射光源建成，同步辐射光源的应用给科学技术发展提供了一个新的实验平台和一种新的途径？一些常规光源认为不可能做的实验成为可能，而且还发展了很多新技术和新方法？现在同步辐射应用已被广泛认为是几乎所有学科不可缺少的分析工具，有力地促进和推动了科学技术的各个领域的发展，成为当今最重要的X射线源之一？
同步辐射光源具有常规X射线源不具备的异常优越的特性[1]:
1 覆盖很宽的连续谱？
对高能量的SR装置，其发射谱可以从红外波段到硬X射线，即波长从103到10-1？使用单色器，可以从光束中选取一定波长与带宽的单色光，这称为同步辐射波长的可调性tunability？可调性良好的同步辐射特别适于开展针对特定波长如某元素的吸收边两侧的光与物质相互作用研究和连续改变波长进行扫描的谱学研究？我们知道，原子？分子和蛋白质的尺度也在这长度内，而且化学键和晶体的原子间距也在这尺度范围？就是说，SR很适合用来研究固体？分子和生物体的结构？"
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