Modelização de espectros de raios-x em filmes finos

Abstract

Thin film multilayers are layered structures composed of several different materials and are commonly prepared for specifically envisaged applications. X-ray diffraction is a nondestructive technique particularly suited for studying their structural properties. However, extracting structural parameters from X-ray diffraction, such as spacing between individual atomic planes, interlayer roughness or strain, requires modelling and fitting the X-ray diffraction spectra. Here, we present a general kinematical model for wide angle X-ray diffraction of thin films that includes both the average atomic structure of the layers and structural disorder, for fitting the measured X-ray diffraction spectra. This model allows the extraction of composition (layer thicknesses), intralayer disorder and interfacial strain at the atomic scale that is assumed to be cumulative throughout the multilayer. In addition to the kinematical model, we also used an optical model for small angle X-ray reflectometry that allows us to obtain the composition (layer thicknesses and electronic density) and interfacial roughness. Unlike simpler fits of X-ray diffractograms that use functions like Gaussian, Lorentzian, or pseudo-Voigt, this model allows a more complete and accurate determination of the structure parameters. By fitting the measured profiles, it is possible to quantitatively determine both lattice constants and disorder parameters of a wide variety of multilayers. The model was applied to the characterisation of La0.67Sr0.33MnO3\SrTiO3\Bi0.9La0.1FeO3 trilayer films as a function of the different relative layer compositions in these nanostructures.

Os filmes finos multicamada são estruturas compostas por camadas de vários materiais diferentes e são normalmente preparadas para aplicações específicas, pretendidas. A difração de raio-X é uma técnica não destrutiva particularmente adequada para estudar as suas propriedades estruturais. No entanto, extrair parâmetros estruturais da difração de raio-X, como o espaçamento entre planos atómicos individuais, rugosidade entrecamadas ou tensão, requer a modelização e ajuste de espectros de difração de raio-X. Neste trabalho, apresentamos um modelo cinemático para ajustar os espectros de difração de raio-X medidos em altos ângulos, que inclui tanto a estrutura atómica média das camadas bem como a desordem estrutural. Este modelo permite extrair a composição (espessura das camadas), desordem intra camadas e interfacial, à escala atómica, que é assumida como sendo cumulativa ao longo da multicamada. Para além do modelo cinemático também usamos um modelo ótico aplicado a reflectometria de raios-X (em baixos ângulos) que nos permite obter a composição (espessura e densidade eletrónica das camadas) e rugosidade interfacial. Ao contrário de ajustes mais simples de diffractogramas de raio-X que usam funções como Gaussiana, Lorentziana ou pseudo- Voigt, este modelo permite uma determinação mais completa e precisa dos parâmetros estruturais. Ajustando os perfis medidos é possível determinar quantitativamente tanto as constantes de rede como os parâmetros de desordem para uma vasta gama de multicamadas. O modelo foi aplicado na caracterização de filmes com tricamadas de La0.67Sr0.33MnO3\SrTiO3\Bi0.9La0.1FeO3 em função das diferentes composições relativas das camadas nestas nanoestruturas.