化学气相沉积反应装置及X射线衍射原位检测装置

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体为一种化学气相沉积反应装置及X射线衍射原位检测装置。

背景技术

X射线衍射技术是材料科学研究中重要的一种手段，广泛地应用于材料的物相、尺寸、应力、取向及结构等表征，而化学气相沉积是把具有组成沉积层元素的气态反应物或固、液态反应物蒸气通入到反应室，在气固界面进行化学反应，得到固态沉积层。为了在沉积过程中动态检测生成物物相、尺寸、应力、取向及结构等变化，因此，在进行化学气相沉积过程中需要使用X射线衍射技术。

然后，现有技术中无法直接采用X射线衍射技术对化学气相沉积的沉积过程的生成物进行检测，因此，急需一种能够采用X射线衍射技术进行检测的化学气相沉积反应装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种化学气相沉积反应装置及X射线衍射原位检测装置，以解决现有技术中无法直接采用X射线衍射技术对化学气相沉积的沉积过程的生成物进行检测的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明第一方面公开了一种化学气相沉积反应装置，包括：上盖、密封窗、垫圈、基体样品池和下盖；

下盖开口朝上，下盖的底部开设有通孔，下盖内设筒体，筒体的上端为封闭端，筒体的下端与通孔连通，筒体与下盖围成的腔体用于装载前驱体；

基体样品池设置于筒体的上端面，基体样品池用于装载基体；

垫圈设置于基体样品池的上端面；

上盖的下端与下盖相连，上盖的开设有透光窗口；

密封窗密封设置于上盖内。

优选的，上盖的下部设有内螺纹；

下盖的上部设有与内螺纹配合的外螺纹。

优选的，密封窗采用石墨薄片制成；

基体样品池的上端面开设有凹槽，沿凹槽的周向设有多个凸起件。

优选的，凹槽为圆形结构。

优选的，多个凸起件沿凹槽周向均匀设置。

本发明第二方面公开了一种X射线衍射原位检测装置，包括：光源、第一光路组件、探测器、第二光路组件、高温测量系统和本发明第一方面公开的化学气相沉积反应装置；

第一光路组件设置于光源与高温测量系统之间；

第二光路组件设置于高温测量系统与探测器之间；

原位反应装置设置于高温测量系统的样品台。

优选的，第一光路组件，包括：光路转换模块、第一索拉狭缝和入射线发散狭缝；

光路转换模块、第一索拉狭缝和入射线发散狭缝依次设置于光源与高温测量系统之间，其中，光路转换模块用于将聚焦光路转换为平行光路，第一索拉狭缝用于调节入射光发散度，入射线发散狭缝用于调节光斑面积。

优选的，第二光路组件，包括：散射狭缝、第二索拉狭缝和接受狭缝；

散射狭缝、第二索拉狭缝和接受狭缝依次设置于高温测量系统与探测器之间。

优选的，还包括：测角仪。

优选的，高温测量系统设有温度传感器、冷却水通道和气体通道；

冷却水通道用于对高温测量系统冷却降温；

气体通道用于向高温测量系统通入保护气体；

温度传感器用于实时检测原位反应装置的温度。

由上述内容可知，本发明公开了一种化学气相沉积反应装置及化学气相沉积X射线衍射原位检测装置。将下盖的开口朝上设置，并在下盖的底部开设通孔，以及在下盖内设置筒体，并将筒体的上端设置为封闭端，筒体的下端与通孔连通，筒体的下端用于同高温测量系统的样品台配合，筒体与下盖围成的腔体用于装载前驱体；用于装载基体的基体样品池设置于筒体的上端面；垫圈设置于基体样品池的上端面；上盖的下端与下盖相连，上盖的开设有透光窗口；密封窗密封设置于上盖内。通过上述公开的化学气相沉积反应装置，可在高温条件下，使前驱体挥发后能够附着在基体上形成沉积层，由于上盖开设的透光窗口，因此，可采用X射线衍射对化学气相沉积反应装置内进行化学气相沉积过程中的生成物物相、尺寸、应力、取向及结构等变化进行检测，帮助工作人员建立研究体系的构效关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种化学气相沉积反应装置的爆炸图；

图2为本发明实施例提供的下盖的俯视图；

图3为本发明实施例提供的下盖的侧视图；

图4为本发明实施例提供的一种X射线衍射原位检测装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的高温测量系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的化学气相沉积层材料在不同温度时的粉末X射线衍射谱。

其中，上盖1，透光窗口1-1，密封窗2，垫圈3，基体样品池4、凹槽41、凸起件42，下盖5、筒体51、腔体52，光源6，光路转换模块7，第一索拉狭缝8，入射线发散狭缝9，测角仪10，高温测量系统12、温度传感器111，冷却水通道112、气体通道113，样品台11，化学气相沉积反应装置13，散射狭缝14，第二索拉狭缝15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供一种化学气相沉积反应装置，参见图1至图3，图1为化学气相沉积反应装置的结构示意图，所述化学气相沉积反应装置包括：上盖1、密封窗2、垫圈3、基体样品池4和下盖5；

下盖5开口朝上，下盖5的底部开设有通孔，下盖5内设筒体51，筒体51的上端为封闭端，筒体51的下端与通孔连通，筒体51与下盖5围成的腔体52用于装载前驱体；

基体样品池4设置于筒体51的上端面，基体样品池4用于装载基体；

垫圈3设置于基体样品池4的上端面；

上盖1的下端与下盖5相连，上盖1的开设有透光窗口1-1；

密封窗2密封设置于上盖1内。

需要说明的是，通过在下盖5内设置筒体51，并将筒体51的上端设置为封闭端，以及将筒体51的下端与筒体51下端开设的通孔连通，并将前驱体装载至筒体51与下盖5围成的腔体52中，以及将用于装载基体的基体样品池4设置于筒体51的上端面，进而在高温作用下，前驱体挥发后能够附着在基体上形成沉积层。

还需要说明的是，前驱体可以为乙酰丙酮铁，也可以为其他能够在高温条件下挥发金属或非金属化合物；基体可以为氯化钠，也可以为其他在高温条件不会挥发或分解材料物质，本领域技术人员可根据需求进行选择。

本发明实施例将下盖5的开口朝上设置，并在下盖5的底部开设通孔，以及在下盖5内设置筒体51，并将筒体51的上端设置为封闭端，筒体51的下端与通孔连通，筒体51与下盖5围成的腔体52用于装载前驱体；用于装载基体的基体样品池4设置于筒体51的上端面；垫圈3设置于基体样品池4的上端面；上盖1的下端与下盖5相连，上盖1的开设有透光窗口1-1；密封窗2密封设置于上盖1内。通过上述公开的化学气相沉积反应装置，可在高温条件下，使前驱体挥发后能够附着在基体上形成沉积层，由于上盖1开设的透光窗口1-1，因此，可采用X射线衍射对化学气相沉积反应装置内进行化学气相沉积过程中的生成物物相、尺寸、应力、取向及结构等变化进行检测，帮助工作人员建立研究体系的构效关系。

具体的，上盖1的下部设有内螺纹；

下盖5的上部设有与内螺纹配合的外螺纹。

需要说明的是，通过在上盖1的下部设置内螺纹，以及在下盖5的上部设置于内螺纹配合的外螺纹，能够方便工作人员将上盖1与下盖5分离，进而方便工作人员放置前驱体和基体。

还需要说明的是，上盖1与下盖5可以通过螺纹配合，也可以通过卡扣配合实现上盖1与下盖5密封，本领域技术人员可根据需求进行选择。

进一步，密封窗2采用石墨薄片制成；

基体样品池4的上端面开设有凹槽41，沿凹槽41的周向设有多个凸起件42。

需要说明的是，石墨薄片是一种具有耐腐蚀性、耐高温、X射线透过率高的材质，密封窗2可以采用石墨薄片制成，也可以采用铝箔材质制成，本领域技术人员可根据需求进行选择。

还需要说明的是，由于密封窗2采用石墨薄片制成，因此，密封窗2容易形变附着在基体样品池4上，使前驱体分解物无法进入基体样品池4，而通过沿凹槽41的周向设有多个凸起件42，凸起件42能够将密封窗2支撑，使密封窗2与基体样品池4保持一定间隙，进而前驱体挥发后能够通过密封窗2与基体样品池4的间隙附着在基体上。

具体的，凹槽41为圆形结构。

需要说明的是，凹槽41可以为圆形结构，也可以为其他类型的结构，本领域技术人员可根据需求进行选择。

进一步，多个凸起件42沿凹槽41周向均匀设置。

需要说明的是，将多个凸起件42沿凹槽41周向均匀设置，能够保证密封窗2受力均匀，避免密封窗2因受力不均匀而出现局部坍塌。

基于上述公开的原位反应装置，参考图4和图5，本发明实施例还提供了一种X射线衍射原位检测装置。

X射线衍射原位检测装置包括：光源6、第一光路组件、探测器、第二光路组件、高温测量系统12和化学气相沉积反应装置13；

第一光路组件设置于光源6与高温测量系统12之间；

第二光路组件设置于高温测量系统12与探测器之间；

原位反应装置13设置于高温测量系统12的样品台11；

化学气相沉积反应装置13包括：上盖1、密封窗2、垫圈3、基体样品池4和下盖5；

下盖5开口朝上，下盖5的底部开设有通孔，下盖5内设筒体51，筒体51的上端为封闭端，筒体51的下端与通孔连通，筒体51与下盖5围成的腔体52用于装载前驱体；

基体样品池4设置于筒体51的上端面，基体样品池4用于装载基体；

垫圈3设置于基体样品池4的上端面；

上盖1的下端与下盖5相连，上盖1的开设有透光窗口1-1；

密封窗2密封设置于上盖1内。

需要说明的是，筒体51的下端能够同高温测量系统12的样品台11配合，进而实现化学气相沉积反应装置13的固定。

本发明实施例将第一光路组件设置于光源6与高温测量系统12之间，第二光路组件设置于高温测量系统12与探测器之间；以及将原位反应装置13设置于高温测量系统12的样品台11。通过上述公开的X射线衍射原位检测装置，可通过光源6提供所需X射线，而第一光路组件能够将光源6发射的X射线进行调整，并使调整后的X射线射入高温测量系统12中，而探测器能够通过第二光路组件探测到物相、尺寸、取向、应力及结构等变化，帮助工作人员建立研究体系的构效关系。

具体的，第一光路组件，包括：光路转换模块7、第一索拉狭缝8和入射线发散狭缝9；

光路转换模块7、第一索拉狭缝8和入射线发散狭缝9依次设置于光源6与高温测量系统12之间。

需要说明的是，光路转换模块7能够将聚焦光路转换为平行光路，而第一索拉狭缝8能够调节平行光路的入射光发散度，入射线发散狭缝9则能调节平行光路的光斑面积，通过上述公开的光路转换模块7、第一索拉狭缝8和入射线发散狭缝9，能够得到所需的光。

具体的，第二光路组件，包括：散射狭缝14、第二索拉狭缝15和接受狭缝；

散射狭缝14、第二索拉狭缝15和接受狭缝依次设置于高温测量系统12与探测器之间。

需要说明的是，通过设置散射狭缝14、第二索拉狭缝15和接受狭缝，能够减少辐射宽化和发散造成的误差，控制合适的狭缝度数，可提高衍射峰强度、分辨率和线形。

进一步，X射线衍射原位检测装置，还包括：用于测量衍射角的测角仪10。

具体的，高温测量系统12设有温度传感器111、冷却水通道112和气体通道113；

冷却水通道112用于对高温测量系统12冷却降温；

气体通道113用于向高温测量系统12通入保护气体；

温度传感器111用于实时检测原位反应装置的温度。

需要说明的是，通过在高温测量系统12设置温度传感器111、冷却水通道112和气体通道113，进而可通过冷却水通道112对高温测量系统12冷却降温，气体通道113向高温测量系统12通入保护气体，以及通过温度传感器111实时检测原位反应装置的温度，进而在温度传感器111检测到高温测量系统12内温度过高时，通过冷却水通道112对高温测量系统12冷却降温，使高温测量系统12内的温度处于所需温度区间，而气体通道113向高温测量系统12通入保护气体，能够避免氧气进入原位反应装置与沉积层发生反应。

基于上述公开的化学气相沉积X射线衍射原位检测装置，本发明实施例还提供了化学气相沉积X射线衍射原位检测方法。

化学气相沉积X射线衍射原位检测方法包括以下步骤：

1、基体样品池4装上基体样品，前驱体样品池装上前驱体样品。

2、把基体样品池4放在下盖5中间突起的圆柱体上，放上垫圈3，放上密封窗2口，盖上上盖1。

3、调节下盖5，使基体上表面接近上盖1上表面。

4、将装载好样品的原位检测装置13放置于粉末X射线衍射高温测量系统12样品台11上。样品台11插入原位反应装置13的下盖5中圆柱体内。通过调节样品台11系统高度，使检测装置在适合位置。检测装置可自由移动，非常方便安装在现有粉末X射线衍射仪上。

5、通过对Z轴和omega这两个自由度的反复调整，找到窗口的表面，并让其与光路平行，原位反应装置13基本可以得到一个精确的测试位置。

6、X射线衍射光管升至满功率。设置粉末X射线衍射仪的扫描参数，2theta范围为10度-80度，扫描模式设置为theta-2theta，步长为0.02度，扫描速度为每分钟10度，通过一维探测器零维模式采集X射线衍射数据，获取到样品的衍射谱。

7、X射线衍射仪对所述基体进行衍射强度和位置优化，并扫描找到基体衍射峰。

8、设定测试温度点、升温速率、温度保留时间参数，通过衍射仪高温测量系统12对所述原位反应装置13进行加热达到设定温度，收集原位X射线衍射数据，并对测试数据加以分析。

本发明具有以下优点：

1、本发明结合现有转靶X射线衍射设备的配置(具有高强度光源6、高速探测器、高温测量系统11HTK1200N温度覆盖范围：室温～1200℃)不需要对高温测量系统12进行改造，通过加装原位反应装置13构建化学气相沉积的原位检测环境，开发出新的原位化学气相沉积反应的测试系统和方法。

2、利用本系统的化学气相沉积的原位环境，可运用高功率X射线衍射设备的基本功能来检测沉积原位演变过程，动态检测生成物物相、尺寸、取向、应力及结构等变化，起到了开拓性的作用。

3、本发明中引入X射线衍射平行光测量模式，减少被测样品位置高低误差对衍射数据的影响，并且适用于对沉积薄膜的原位检测。

4、原位反应装置，通过模块化设计，直接插入高温测量系统12样品台11插口即可，结合X射线衍射仪本身功能，可方便地对原位反应装置13进行校准操作，且在X射线衍射仪的平行光模式下，实时检测研究对象的物相、尺寸、取向、应力及结构变化，显著降低了测试的难度。

具体的，本发明还提供了一种粉末X射线衍射原位实时检测化学气相沉积材料结构的方法。

粉末X射线衍射原位实时检测化学气相沉积材料结构的方法包括以下步骤：

1、打开衍射仪，升电压电流分别到45千伏和200毫安，在进行X射线衍射之前，需要对仪器在水平和垂直方向调整光路，与一般衍射仪调光相同，不再叙述。

2、调整光路为平行光路模式，探测器采用零维模式，打开高温测量系统12冷却水。

3、制备样品，下盖5前驱体腔填入前驱体(乙酰丙酮铁)，基体样品池4装入基体(氯化钠)，如块状基体，大小和厚度适合样品池设计。

4、装备原位反应装置。样品池放在下盖5圆柱体上，垫圈3、密封窗2(石墨)、拧入上盖1，然后调整下盖5使样品池限位突起紧贴垫圈3。

5、取出高温测量系统12样品台11，化学气相沉积原位反应装置13插在样品台11上，无需固定，样品台11装回高温测量系统12。

6、调整样品的零点高度，从下往上抬高样品，实行X射线衍射仪Z扫描，使X射线的计数强度是原来一半，然后调节样品在平行X射线方向的倾角，使计数强度达到极大。

7、综合考虑X射线衍射强度和分辨率，确定扫描步长、速度以及发散狭缝、散射狭缝14以及接受狭缝。在X射线衍射操作软件界面上设置合适的测试参数，扫描模式设置为theta-2theta，步长为0.02度，扫描速度每分钟10度。设定测试温度点、升温速率、温度保留时间等参数。可根据测试过程中的实际数据效果和要求进行测试参数调整。

8、结合高温测量系统12对原位反应装置13加热，化学气相沉积层材料随外加温度变化过程中，到每个温度点时，进行扫描，收集研究材料的衍射数据，根据衍射数据的峰位、峰形和峰强来分析物相、晶格常数、取向、应力以及微结构等，见图6，图6表示的是化学气相沉积层材料在不同温度时的粉末X射线衍射谱，右边图横坐标为2Theta角度，纵坐标为衍射强度。通过实时检测来揭示材料微结构的变化。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。