[論文レビュー] X-ray diffraction line profile analysis of KBr thin films

Р. Рай, Triloki Triloki+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

X-ray Diffraction in Crystallography参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、X線回折線プロファイル解析を用いてKBr薄膜の微細構造的性質を調査し、Williamson-Hall、Size-Strain Plot、および単一線Voigt法を用いて結晶子サイズと微応力を分解する。均一応力変形エネルギー密度モデル（UDEDM）が最も正確な手法であると判明し、薄膜の厚さが増すにつれて結晶子サイズが増加し、微応力が減少することが示され、厚い薄膜では構造的品質が向上していることが示された。

ABSTRACT

In the present work, the microcrystalline characteristics of KBr thin films have been investigated by evaluating the breadth of diffraction peak. The Williamson-Hall, the Size-Strain Plot and the single line Voigt methods are employed to deconvolute the finite crystallite size and microstrain contribution from the broaden X-ray profile. The texture coefficient and dislocation density have been determined along each diffraction peak. Other relevant physical parameters such as stress, Young's modulus and energy density are also estimated using Uniform Stress-Deformation and Uniform Deformation Energy Density approximation of Williamson-Hall method.

研究の動機と目的

• XRD線プロファイル解析を用いてKBr薄膜の微結晶的特性を調査すること。
• KBr薄膜のピーク幅拡張に起因する有限結晶子サイズと微応力の寄与を分解すること。
• Williamson-Hall、Size-Strain Plot、および単一線Voigt法の3つの手法が結晶子サイズと微応力を推定する性能を評価・比較すること。
• W-H近似を用いてテクスチャー係数、不純物密度、応力、ヤング率、エネルギー密度を算出すること。
• KBr薄膜の微細構造的特徴を特徴付けるために最も信頼性の高い分析モデルを特定すること。

提案手法

• ブラッグの回折ピークを用いたX線回折線プロファイル解析を実施し、微細構造的特徴を評価した。
• 均一応力変形（UDM）、均一応力変形エネルギー密度（USDM）、および均一応力変形エネルギー密度（UDEDM）の3つの近似を用いたWilliamson-Hall（W-H）法を適用した。
• 結晶子サイズと微応力を推定するために、Size-Strain Plot（SSP）および単一線Voigt関数を用い、ピーク形状およびFWHM対積分幅比を考慮した。
• 回折ピーク幅拡張およびhkl依存の強度データからテクスチャー係数（TC hkl）と不純物密度を計算した。
• 均一応力変形および均一応力変形エネルギー密度近似を用いて、応力、ヤング率、エネルギー密度を推定した。
• 精度を向上させるために、FWHMではなく積分幅を用いてピーク幅拡張を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜の厚さは、KBr薄膜における結晶子サイズと微応力にどのように影響するか？
• RQ2 Williamson-Hall、Size-Strain Plot、または単一線Voigtのうち、どの分析モデルがKBr薄膜における結晶子サイズと微応力の推定において最も正確か？
• RQ3 KBr薄膜におけるピーク幅拡張に寄与する均一応力と非均一応力の寄与はそれぞれいかほどか？
• RQ4 KBr薄膜の異なる回折ピークにおいて、テクスチャー係数と不純物密度はどのように変化するか？
• RQ5 微応力と薄膜の厚さの関係は何か？ また、その関係は機械的および電子的特性にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 均一応力変形エネルギー密度モデル（UDEDM）は、結晶子サイズと微応力の推定において最も正確で一貫性のある結果を示し、他の手法（UDMおよびUSDM）と比較してデータポイントのフィットが良く、散乱が小さい。
• 結晶子サイズは薄膜の厚さに伴い増加し、厚い薄膜では構造的整合性が向上し、欠际密度が低下していることが示された。
• 微応力は薄膜の厚さが増すにつれて減少し、厚いKBr薄膜では格子歪みが低減し、結晶性が向上していることが示された。
• 単一線Voigt法はW-H法およびSSP法と比較して、結晶子サイズをやや大きく推定したが、いずれの手法でも薄膜の厚さに伴い同様の増加傾向を示した。
• 不純物密度およびテクスチャー係数（TC hkl）の計算結果から、特に高い回折角において、薄い薄膜では微応力および欠际密度が高くなっていることが確認された。
• シュレッダー法は、結晶子が等方的であると仮定し、機器的および応力効果を無視するため、特に高い角度において結晶子サイズを過小評価し、微応力を過大評価する傾向がある。