[发明专利]利用拉曼光谱测量非化学计量比氧化膜微区应力的方法

说明书

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ω_p，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(ω_p-ω₀)可推算出其内应力值，即应力值σ＝k₁(ω_p-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CeO_1.99，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ω_p，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(ω_p-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：