[논문 리뷰] X-ray diffraction line profile analysis of KBr thin films

Р. Рай, Triloki Triloki외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 04.

X-ray Diffraction in Crystallography참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 KBr 박막의 미세구조적 특성을 조사하기 위해 X선 회절 선형도 분석을 사용하였으며, 윌리엄슨-홀(W-H), 크기-응력 플롯(SSP), 단일선 보이트 방법을 활용하여 결정립 크기와 미세응력(microstrain)을 분해하였다. 균일 변형 에너지 밀도 모델(UDEDM)이 가장 정확한 접근 방식으로 확인되었으며, 이는 박막 두께가 증가할수록 결정립 크기가 증가하고 미세응력은 감소함을 보여주어 두꺼운 박막에서 더 높은 구조적 품질을 가짐을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• XRD 선형도 분석을 이용해 KBr 박막의 미세결정립 특성을 조사하기 위해.
• KBr 박막의 피크 브로드닝에서 유한한 결정립 크기와 미세응력 기여도를 분해하기 위해.
• 윌리엄슨-홀(W-H), 크기-응력 플롯(SSP), 단일선 보이트 방법의 성능을 평가하고 비교하여 결정립 크기와 미세응력을 추정하기 위해.
• W-H 근사에 기반해 텍스처 계수, 비틀림 밀도, 응력, 양성률, 에너지 밀도를 산정하기 위해.
• KBr 박막의 미세구조적 특성 분석에 가장 신뢰할 수 있는 분석 모델을 규명하기 위해.

제안 방법

• 미세구조적 특성을 평가하기 위해 브라그 회절 피크를 사용한 X선 회절 선형도 분석을 시행하였다.
• 균일 변형(UDM), 균일 응력 변형(USDM), 균일 변형 에너지 밀도(UDEDM)의 세 가지 근사를 적용한 윌리엄슨-홀(W-H) 방법을 적용하였다.
• 크기-응력 플롯-SSP 및 단일선 보이트 함수를 사용하여 피크 형상과 FWHM 대 통합 브로드스너비 비율을 고려해 결정립 크기와 미세응력을 추정하였다.
• 회절 피크 브로드닝과 hkl에 의존하는 강도 데이터로부터 텍스처 계수(TC hkl)와 비틀림 밀도를 계산하였다.
• 응력, 양성률, 에너지 밀도를 추정하기 위해 균일 응력 변형 및 균일 변형 에너지 밀도 근사를 적용하였다.
• 정확도 향상을 위해 피크 브로드닝 평가 시 전반적 너비(FWHM) 대신 통합 브로드스너비를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막 두께가 KBr 박막의 결정립 크기와 미세응력에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 윌리엄슨-홀, 크기-응력 플롯, 또는 단일선 보이트 중 어느 분석 모델이 KBr 박막의 결정립 크기와 미세응력을 가장 정확하게 추정하는가?
• RQ3 KBr 박막의 피크 브로드닝에 기여하는 균일한 응력과 비균일한 응력의 기여도는 무엇인가?
• RQ4 KBr 박막의 다양한 회절 피크에서 텍스처 계수와 비틀림 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 미세응력과 박막 두께 사이의 관계는 무엇이며, 이는 기계적 및 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 균일 변형 에너지 밀도 모델(UDEDM)은 결정립 크기와 미세응력 추정에 가장 정확하고 일관성 있는 결과를 제공하며, UDM 및 USDM 대비 더 나은 데이터 포인트 피팅과 낮은 산산각산도를 보였다.
• 결정립 크기는 박막 두께가 증가함에 따라 증가하며, 더 두꺼운 박막에서 더 높은 구조적 일관성과 낮은 결함 밀도를 나타낸다.
• 미세응력은 박막 두께가 증가함에 따라 감소하여 더 두꺼운 KBr 박막에서 더 낮은 격자 왜곡과 향상된 결정성질을 나타낸다.
• 단일선 보이트 방법은 W-H 및 SSP 방법보다 더 큰 결정립 크기를 산출하지만, 모든 방법이 박막 두께 증가에 따라 유사한 증가 경향을 보였다.
• 비틀림 밀도와 텍스처 계수(TC hkl) 계산 결과, 더 얇은 박막에서 미세응력과 결함 밀도가 더 높으며, 특히 고각도에서 두드러진다.
• 쇼어러 방법은 등방성 결정립을 가정하고 기계적 및 응력 효과를 무시하기 때문에, 특히 고각도에서 결정립 크기를 과소평가하고 미세응력을 과대평가한다.