CN105698984A - 利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，包括：(1)在无应力条件下，利用拉曼光谱对不同化学计量比粉体材料进行测量，建立特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω0的关系曲线；(2)分析待测薄膜的拉曼光谱数据，得到特征拉曼峰强比R′和拉曼晶格振动峰位置ωp，然后根据R′的值利用关系曲线得到对应的ω’0；(3)对粉体材料进行高压拉曼实验，得到晶格振动峰位与应力之间的关系k’1；(4)代入公式σ＝k’1(ωp-ω’0)，得到待测薄膜的应力值。本发明可使拉曼光谱法推广到测量非化学计量比氧化膜的内应力，实现这类薄膜原位、无损的微区内应力测量，准确度较现有的拉曼光谱测量应力方法有大幅的提高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜微区应力测量领域，具体涉及的是一种利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法。
背景技术
金属氧化物等硬质薄膜因具有优良的耐磨、耐腐蚀等特性，被广泛应用于金属材料的防护层，过渡金属氧化膜由于独特的化学和光电性质，广泛用于燃料电池、光电器件等领域。这些薄膜在制备过程(物理和化学气相沉积、化学合成等)中会引入内应力，应力较大时会导致薄膜脱落、变形等现象，严重影响硬质薄膜的防护效果和光电器件的性能。薄膜内应力的测量对优化工艺过程，提高薄膜质量有重要作用。
薄膜应力测量主要包括基于薄膜形变的宏观测量方法，如基片弯曲法、激光束偏转法(专利申请号201210062082.3)等，以及测量基于材料晶格参数改变的微观测量方法，如X射线衍射法和拉曼光谱法等。基于薄膜形变的应力测量方法由于需要薄膜或基片出现弯曲变形时才能测量，且对基片及薄膜厚度有特定要求，在有些情况下应用受限。测量材料晶格参数的微观测量法，利用应力压缩或拉伸晶格导致晶格间距改变的性质进行测量，可测量未出现形变时薄膜的内应力，可实现原位检测。由于薄膜厚度小于1微米时，X射线衍射法灵敏度较低，因此拉曼光谱法作为一种新的薄膜微区应力测量方法广泛用于氧化铝、氧化锆、碳材料等薄膜的内应力检测领域。
拉曼光谱是一种非弹性散射光谱，材料的晶格振动峰有特定振动频率ω0，晶格间距改变反映在拉曼光谱上为晶格振动峰位置发生偏移ωp，根据虎克定律，弹性形变范围内晶格间距变化量与应力大小成正比，因此，根据材料晶格振动峰位置偏移量(ωp-ω0)可推算出其内应力值，即应力值σ＝k1(ωp-ω0)，其中k1为应力与拉曼频移的关系常数。拉曼光谱测量薄膜内应力具有无损、无接触、空间分辨率高等独特优点，用于氧化铝、氧化铬等具备标准化学计量比的薄膜的内应力检测时准确度较高。
但是，该方法在测量过渡金属及合金氧化物薄膜时会遇到非化学计量比的问题，对薄膜应力测量结果造成非常大的误差。非化学计量比的金属氧化物的晶格间距随计量比不同而连续变化，如果按照标准化学计量比的拉曼光谱测应力方法计算应力，不对计量比引起的晶格变化和应力引起晶格变化进行区分，会导致较大的应力计算偏差，甚至出现错误结论。例如，氧化铈薄膜CeO2和CeO1.99，化学计量比非常接近仅相差0.01，则会引起约1.7个波数的拉曼晶格振动峰移动，造成约0.5GPa的应力计算误差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，可使拉曼光谱法推广到测量非化学计量比氧化膜的内应力，实现这类薄膜原位、无损的微区内应力测量，准确度较之前的拉曼光谱测量方法有大幅提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，包括以下步骤：
(1)在无应力条件下，利用拉曼光谱对不同化学计量比粉体材料进行测量，建立特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω0的关系曲线，得到不同化学计量比材料在无应力条件下的晶格振动峰位置ω0；
(2)分析待测薄膜的拉曼光谱数据，分别得到待测包膜的特征拉曼峰强比R′和拉曼晶格振动峰位置ωp，然后根据R′的值，利用步骤(1)中的关系曲线，得到对应的ω′0；
(3)对步骤(1)中的粉体材料进行高压拉曼实验，得到晶格振动峰位与应力之间的关系k′1；
(4)将所得到的数据代入到公式：σ＝k′1(ωp-ω′0)，得到待测薄膜的应力值σ。
进一步地，所述粉体材料通过原位反应或块体粉碎后高温退火处理制备得到。
作为优选，所述粉体材料的粒径小于50微米；且拉曼光谱测量时，激光功率小于1mW。
作为优选，所述待测薄膜为单一过渡金属的氧化膜或合金的氧化膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明对常规拉曼光谱测量应力的方法进行了改进，改进后的拉曼光谱测量应力公式为σ＝k′1(ωp-ω′0)，其中，σ为内应力，k′1为该材料不同化学计量比下的应力/拉曼频移比例系数，ωp为待测薄膜的拉曼晶格振动峰位置，ω′0为同样化学计量比下粉体的晶格振动峰位置。上述应力计算公式，通过对无内应力的不同化学计量比的金属(可以是一种或一种以上金属成分)氧化物粉末材料进行拉曼光谱的标定，利用拉曼光谱的指纹特征，得到特征拉曼峰强比与拉曼晶格振动峰偏移的关系，并对计量比引起的晶格变化和应力引起晶格间距变化进行区分，便可得到较准确的非化学计量比薄膜的微区内应力值。
(2)本发明用于测量氧化膜应力方面具有很大的优势，如相比于形变法测量应力，本发明可在薄膜尚未变形时检测出薄膜内应力，测量时对薄膜无损伤、无接触，可原位测量薄膜微区应力，空间分辨率可达到1微米等。相对于传统拉曼光谱测量应力方法(仅适用于测量标准计量比的材料内应力)，由于排除了化学计量比对晶格间距影响，其测量的准确性大幅提高，避免了由于化学计量比影响而出现对应力性质错误判断的结果，使拉曼光谱方法可推广到非化学计量比氧化膜应力测量领域。
(3)本发明选用的粉体材料的粒径小于50微米，且进行拉曼光谱测量时，激光功率小于1mW，如此可进一步减少热效应对晶格间距的影响。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为典型氧化铈薄膜的拉曼光谱图。
图3为不同化学计量比氧化铈粉体的拉曼晶格振动峰位置与特征拉曼峰强比R的关系曲线图。
图4为不同化学计量比氧化铈的晶格振动峰位置随压力变化曲线图。
图5为弯曲法测量氧化铈薄膜应力时的曲率测量示意图。
图6为反射光谱法测量氧化铈薄膜厚度示意图。
图7为氧化铈薄膜的拉曼光谱(1800-2600波数范围内拉曼强度乘十倍)图。
图8为铈在大气中长时间氧化形成的氧化膜粉化处(黑色圆圈内)示意图。
图9为铈在大气中长时间氧化形成的氧化膜致密处(黑色圆圈内)示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供了一种利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，其主要包含如下几大步骤：
(1)在无应力条件下，利用拉曼光谱对不同化学计量比粉体材料进行测量，建立特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω0的关系曲线，得到不同化学计量比材料在无应力条件下的晶格振动峰位置ω0；在这其中，所述粉体材料通过原位反应或块体粉碎后高温退火处理制备得到，粉体材料的粒径小于50微米，而在进行拉曼光谱测量时，其激光功率应小于1mW；
(2)分析待测薄膜的拉曼光谱数据，分别得到待测薄膜的特征拉曼峰强比R′和拉曼晶格振动峰位置ωp，然后根据R′的值，利用步骤(1)中的关系曲线，得到对应的ω′0；本实施例中，待测薄膜为单一过渡金属的氧化膜或合金的氧化膜；
(3)对步骤(1)中的粉体材料进行高压拉曼实验，得到晶格振动峰位与应力之间的关系k′1；该步骤中，通过金刚石对顶砧装置对粉体施加压力，压腔中加入传压介质保证粉体所受压力为等静水压，测量不同压力情况下的拉曼光谱变化情况，得到晶格振动峰位与压力关系k′1，如此，通过一系列不同计量比粉体高压拉曼光谱实验，便可得到不同计量比情况下的k′1；
(4)将所得到的数据代入到公式：σ＝k′1(ωp-ω′0)，得到待测薄膜的应力值σ；本实施例所计算的应力值为薄膜表层至激光穿透深度范围内的平均应力，如果为薄膜在激光波段内透明，则测量范围为光谱仪检测深度范围内的平均应力值。
下面以氧化铈薄膜为例，对本发明的实现过程进行介绍。
如图2所示，本实施例中，氧化铈薄膜的制备方法为：通过真空热蒸镀铈到基片上，然后放入大气中迅速氧化形成。在未完全氧化之前，氧化铈形成的是CeO2-x(0≤x≤0.5)类型的非化学计量比氧化物，原本CeO2晶体中Ce4+一部分被Ce3+取代，并形成氧空位，氧化铈的催化、光电等多种应用均与该特性密切相关。测量拉曼光谱时采用457nm激光，功率为0.37mW。结合文献分析图1中拉曼光谱，462.5cm-1处为CeO2-x氟化钙晶体结构振动峰，即F2g峰(对于标准计量比的CeO2粉末，F2g峰位于465cm-1)，F2g峰位置与晶格间距直接相关，受到应力和化学计量比影响而发生移动。约558cm-1和2110cm-1处分别为氧空位和Ce3+拉曼光谱峰，本发明取Ce3+峰强度与F2g峰强度比值作为特征拉曼峰强比R，用来表征CeO2-x的化学计量比。R值越小表明CeO2-x中形成的化学计量比越接近CeO2。
而后，对薄膜内应力进行测量。按照上述步骤，首先，利用拉曼光谱对无应力不同化学计量比粉体进行测量，建立特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω′0的关系曲线1。我们对粒径为2-20微米的CeO2粉末进行还原，经过900摄氏度下6小时的氢气还原，CeO2被还原为CeO2-x粉末，通入12小时氩气钝化后取出。然后迅速测量其拉曼光谱，由于CeO2-x粉末逐渐被氧化，其化学计量比不断改变，最终变为为CeO2。通过测量暴露大气不同时间的氧化铈拉曼光谱，可得到不同化学计量比氧化铈粉体的特征拉曼峰(这里指约2100cm-1的Ce3+峰)与晶格振动峰强(465cm-1左右的F2g峰)的比值R的关系曲线，如图3所示。可以看到，特征拉曼峰强比R越小，CeO2-x的拉曼晶格振动峰越接近465cm-1，即化学计量比约接近CeO2。对数据点进行拟合，得到特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω′0的关系曲线。
接着，对上述氧化铈粉体材料进行高压拉曼实验，通过金刚石对顶砧装置对粉体施加压力，通过传压介质保证粉体所受压力为等静水压，利用红宝石荧光光谱进行压力标定，测量不同压力情况下的拉曼光谱变化情况，得到晶格振动峰位与压力关系k′1。我们测量了标准计量比CeO2和两种不同氧化时间的CeO2-x(氧化时间较长，R均较小，分别为0.005和0.003)不同化学计量比氧化铈的晶格振动峰位置随压力变化曲线，如图4所示。可以发现随着压力增大，晶格振动峰F2g向高波数方向移动，且这三种计量比的氧化铈斜率非常接近。因此，在特征拉曼峰强比R较小情况下，可近似认为k′1恒定，通过计算图3中斜率的倒数可得k′1为0.30GPa/cm-1。
最后，对待测薄膜进行拉曼光谱检测并计算应力值。对图2中拉曼光谱进行分析，得到特征拉曼峰强比R为0.028，ωp为462.5cm-1。根据步骤一建立关系曲线1确定R为0.028是ω′0等于459.2cm-1。根据步骤二得到k′1＝0.30GPa/cm-1，代入公式σ＝k′1(ωp-ω′0)得到待测薄膜的应力值为σ＝0.3×(462.5-459.2)＝0.99GPa。
下面通过与基片弯曲法测量应力实验对比，验证本发明所述方法的准确性。
基片弯曲法测量应力的步骤如下：
首先，利用真空蒸镀再氧化的方法制备氧化铈薄膜。通过真空蒸镀将铈蒸镀到厚度为0.02毫米的平整铜基片上，蒸镀时基片保持50摄氏度以下，消除热应力影响，在蒸镀结束后铜基片依然平整，然后放入大气中迅速氧化，同时可见铜基片发生弯曲变形。
然后，通过体视显微镜测量铜基片的曲率，如图5所示，测量的曲率半径r为21.7mm。通过反射光谱法测量氧化膜厚度，图6所示。由于CeO2-x的折射率在一定范围内变化，这里取平均值即折射率约为2.0，计算氧化铈厚度为350nm。
最后，利用公式其中为铜的二维杨氏模量约等于156GPa，ds为基片厚度为20微米，df为氧化膜厚为350nm，计算可得弯曲法测量的应力值约为1.37GPa。
利用本发明所述方法测量该氧化膜应力，其拉曼光谱如图7所示，R为0.025，ω′0等于459.5cm-1，ω′p等于462.7cm-1，计算应力值为压应力0.96GPa，与弯曲法测量的应力值接近。此外，通过本专利所述方法该应力值为压应力，与基片弯曲法结论一致。若通过未修正的测量方法计算应力，则会发现F2g峰由465cm-1(在无应力条件下CeO2的F2g峰位置)变为462.7cm-1，因而会得出氧化膜为拉应力(0.69GPa)的错误结论。因此，本发明通过一系列的修正和标定，使拉曼光谱测量氧化膜应力的准确性得到了大幅的提高。
由此可以看出，通过与基片弯曲法测量应力实验进行对比，很好地验证了本发明所述方法的准确性。
在上述基础上，利用拉曼光谱测量铈在大气中长时间氧化形成的氧化膜微区应力，方式如下：
将金属铈放置大气中约1个月后，可发现金属铈表面氧化膜局部出现粉化。通过本专利所述方法对上述氧化铈薄膜的微区应力进行分析。
如图8，测量氧化膜局部粉化处的拉曼光谱，得到R为0.0076，表明该部分的化学成分非常接近CeO2。而F2g峰出现在463cm-1，计算的压应力为0.60GPa。如图9，测量氧化膜局部致密处的拉曼光谱，得到R为0.075，而F2g峰在463.5cm-1处，计算得到此处压应力1.6GPa。因此可见，粉化处由于氧化膜破裂，使微区压应力得到了部分释放，该结果符合氧化膜的生长机理。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在无应力条件下，利用拉曼光谱对不同化学计量比粉体材料进行测量，建立特征拉曼峰强比R与晶格振动峰位ω0的关系曲线，得到不同化学计量比材料在无应力条件下的晶格振动峰位置ω0；
(2)分析待测薄膜的拉曼光谱数据，分别得到待测包膜的特征拉曼峰强比R′和拉曼晶格振动峰位置ωp，然后根据R′的值，利用步骤(1)中的关系曲线，得到对应的ω’0；
(3)对步骤(1)中的粉体材料进行高压拉曼实验，得到晶格振动峰位与应力之间的关系k’1；
(4)将所得到的数据代入到公式：σ＝k’1(ωp-ω’0)，得到待测薄膜的应力值σ。
2.根据权利要求1所述的利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，其特征在于，所述粉体材料通过原位反应或块体粉碎后高温退火处理制备得到。
3.根据权利要求2所述的利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，其特征在于，所述粉体材料的粒径小于50微米；且拉曼光谱测量时，激光功率小于1mW。
4.根据权利要求1～3任一项所述的利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法，其特征在于，所述待测薄膜为单一过渡金属的氧化膜或合金的氧化膜。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108982467A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-12-11 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 低光谱背景的拉曼光纤微型探头 |
| CN110333219A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-10-15 | 天津大学 | 应力分量的解耦检测方法与装置 |
| CN110420601A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-08 | 南京宁智高新材料研究院有限公司 | 一种通过金刚石压砧定量处理工艺 |
| CN111122545A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-08 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种无损检测导电氧化物薄膜电学性能的方法 |
| CN111830007A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-27 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统 |
| CN111883450A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-03 | 西安理工大学 | 一种提高氮化镓器件良品率的方法 |
| CN114719899A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-07-08 | 清华大学 | 同时测量微器件内部温度和热应力的单拉曼峰解耦方法 |
-
2016
- 2016-01-12 CN CN201610018278.0A patent/CN105698984A/zh active Pending
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 吕俊波等: "非理想化学计量比氧化铀的拉曼和红外光谱", 《光谱学与光谱分析》 * |
| 李海波等: "Raman 光谱法测量铈氧化膜内应力的研究", 《第十八届全国光散射学术会议》 * |
| 李美栓等: "喇曼光谱方法测量金属表面氧化膜的残余应力", 《中国腐蚀与防护学报》 * |
| 陈计涛等: "离子注镧对镍氧化膜生长及其膜内应力的影响", 《扬州大学学报》 * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108982467A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-12-11 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 低光谱背景的拉曼光纤微型探头 |
| CN110333219A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-10-15 | 天津大学 | 应力分量的解耦检测方法与装置 |
| CN110420601A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-08 | 南京宁智高新材料研究院有限公司 | 一种通过金刚石压砧定量处理工艺 |
| CN110420601B (zh) * | 2019-08-02 | 2021-11-26 | 南京宁智高新材料研究院有限公司 | 一种通过金刚石压砧定量处理工艺 |
| CN111122545A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-08 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种无损检测导电氧化物薄膜电学性能的方法 |
| CN111122545B (zh) * | 2019-12-30 | 2022-06-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种无损检测导电氧化物薄膜电学性能的方法 |
| CN111883450A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-03 | 西安理工大学 | 一种提高氮化镓器件良品率的方法 |
| CN111883450B (zh) * | 2020-06-30 | 2024-02-09 | 西安理工大学 | 一种提高氮化镓器件良品率的方法 |
| CN111830007A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-27 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统 |
| CN111830007B (zh) * | 2020-07-06 | 2022-12-20 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统 |
| CN114719899A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-07-08 | 清华大学 | 同时测量微器件内部温度和热应力的单拉曼峰解耦方法 |
| CN114719899B (zh) * | 2022-03-16 | 2023-01-17 | 清华大学 | 同时测量微器件内部温度和热应力的单拉曼峰解耦方法 |
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