基于常规X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)技术的透明柔性导电膜薄膜厚度表征

作     者：张少鸿 莫家媚 苏秋成 

作者机构：中国科学院广州能源研究所 

出 版 物：《中国无机分析化学》 (Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry)

年 卷 期：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金委员会青年科学基金资助项目(51802305) 

主　　题：X射线光电子能谱(XPS) X射线衍射(XRD) 薄膜厚度 深度剖析 X射线反射率(XRR) 快速傅里叶变换(FFT) 

摘      要：X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）已越来越成为实验室的常规必备设备。XPS是一种表面分析技术，典型的分析深度约为10 nm，主要用于表征材料表面元素及其化学状态，并可利用刻蚀离子枪对材料元素及其化学态纵深分布进行研究。XRD主要利用晶体对X射线的衍射测定材料的晶体结构；同时可利用材料表面、界面对X射线的反射，研究材料的物性，包括密度、厚度、粗糙度等。利用实验室常规的XPS和XRD联合表征多层薄膜厚度；结合两者各自的优势，通过简单、便捷的方法实现多层薄膜的结构表征。通过XRD测试多层薄膜的反射干涉条纹，运用快速傅里叶变换（FFT）方法得到其厚度信息；通过XPS深度剖析得到膜层组分及其纵向分布的信息，从而完整表征了多层薄膜的结构。所表征的样品为组成和结构未知的透明柔性导电膜。结合XPS和XRD分析得到结果：薄膜为三层复合膜结构，首层由SnO2、In2O3、TiO2和ZnO组成，厚度为42.6 nm；中间为19.2 nm Ag纳米线；靠近基底层由ZnO、In2O3和TiO2组成，厚度为59.0 nm。建立的方法完全避免了建模的繁杂过程和不确定性，非常方便、快速地得到薄膜结构组成，包括：每层薄膜厚度、组成成分、层间堆叠顺序等。方法在薄膜研究、生产过程质量控制等方面应用都有十分重要意义。