第三章、 實驗方法
3.4 晶體結構分析
3.4.1 高解析 X 光繞射儀器(High-resolution X-ray Diffraction,
3.4.1.1 基本原理
高解析 X 光繞射儀與一般 X 光繞射的基礎理論相同，都是以布 拉格定律(Bragg’s law)為基礎，然而，高解析 X 光繞射儀之試片基座 通常具備 x, y, z, , , 等六個自由度(如圖 3-11 所示)，以探測不同方 向之晶面，為了更明確的描述其繞射訊號之晶面之空間關係，其繞射 原理可藉由圖 3-12 之示意圖來進行理解。
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圖 3-11 高解析 X 光繞射儀之試片基座自由度示意，X 為平行光源方 向，為光源與試片之入射角，z 為基座法向量，為基座法向量之旋
轉，Y 為與 X, Z 之垂直方向，χ 為沿著 X 軸之前後傾斜。
圖 3-12 X 光繞射原理示意圖，(a)繞射晶面平行於基座表面法向量，
(b)繞射晶面與基座表面存在偏移角。
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圖 3-12 中，
g
之方向為繞射晶面之法向量，大小為晶面間距(d) 之倒數d1，而k
0與 k 分別平行於入射與繞射 X 光之方向，角度差為 2，大小為 X 光波長之倒數1，
為 k
0與基座之夾角，基座之法向量為 n 。 在一般傳統 XRD 量測時，大多是/2方式進行掃描(入射角=)，此 時其空間關係如圖 3-12(a)所示，探測到之法向量與基座法向量為平 行的關係(g // n
)。而在量測具有方向性的晶體時，由於其訊號不同於 一般粉末、多晶材料的隨機分佈，其繞射晶面常常僅存在於特定方向 上，若探測到晶面時之方向關係如圖 3-12(b)所示，此時可得知其繞 射晶面g
與基座法向量 n 之偏移角為-。在其他自由度方面，
為控制試片之前後傾斜，為試片基座本身
之旋轉，若兩者搭配，可進一步瞭解結構之空間關係，甚至進行極圖 之量測。而 x,y 分別可控制欲探測區域之水平與垂直位置，z 則為補 償不同試片高度差異之用途，以防止試片/探測區域並非於光源/接收 器焦點。3.4.1.2 光學模組
有別於傳統 X 光繞射儀藉由金屬濾片降低額外的 K特徵輻射強 度，以及單純以狹縫控制光源發散與以及偵測器接收角，高解析 X
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光繞射儀的光學模組示意如圖 3-13 所示。
圖 3-13 高解析 X 光繞射儀常見之光學模組配置示意圖[Bruker]。
光源部份，高解析皆配備如圖 3-14(a)之光源聚焦器(Göbel mirror[3.7]或
Osmic® Max-Flux™
)，藉由拋物面的光學反射多層膜，可以將 X 光管之發散光轉為高強度的平行光，並藉由如圖 3-14(b)不 同波長存在不同的反射角差異，抑制 K X 光以外之背景訊號。
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圖 3-14 (a)X 光光源聚焦器示意圖[Bruker]，(b)X 光聚焦器濾除背景雜 訊原理示意圖。
除了光源聚焦器外，藉由單晶單光器(monochromator)以布拉格繞 射的原理，可進一步將光源純化為 K1單色光，其光源單色性(λ)以 及單光器所造成的強度衰減，依單光器的配置有所不同，本研究使用 之單光器模組主要為 Bede D1 2nd ccc 模式以及 PANalytical Hybrid
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monochromator。
接收器部份，高解析 X 光繞射儀除了可改變單狹縫、雙狹縫 (anti-scatter slit)及平行版準直器(parallel plate collimator 或 soller)等配 置外，亦可藉改由掛載單光分析器(crystal analyzer)，藉由布拉格繞射 原理，進一步提昇其空間解析度。以單晶基板為例，圖 3-15 皆為使 用λ=12arcsec 之單色光源所進行之分析，當偵測器使用狹縫模組時，
儘管完美基板於倒空間為均勻的點狀分佈，會因狹縫可接收到2範 圍信號，然而，高品質單晶僅於特定範圍符合符合繞射條件，故使 其繞射訊號於除了存在於原本-2路徑上，額外出現2之分佈。
此結果將導致發生偏斜時，仍收的到訊號，但是因掃描路徑偏移 Qx=0，而使發生Qz 的誤差。若偵測器掛載單光分析器，則可如圖
3-15(b)所示，抑制此種誤差的存在，故在磊晶的應力分析，以及倒空 間量測時，除了光源需使用單光器避免額外背景光訊號產生的繞射外，
亦須注意偵測器光學模組可能造成的判讀誤差。
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圖 3-15 高品質單晶基板使用(a)狹縫，(b)單光分析器之倒空間訊號分 佈圖。
本實驗所使用的機台包含 PANalytical X'Pert Pro (MRD)、Bede D1 HR-XRD，以及 D8 DISCOVER，於 X 光全反射分析時，採用光源聚 焦器+雙狹縫模組，低掠角全反射繞射實驗採用光源聚焦器+準值器模 組，結晶性與結晶品質分析時採用單光器+雙狹縫模組，試片曲度以 及倒空間量測採用光源單光器+單光分析器模組。
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3.4.2 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron