[发明专利]基于XRD实验数据调整衬底和薄膜初始结构模型的结构参数的方法

说明书

一种基于XRD实验数据调整衬底和薄膜初始结构模型的结构参数的方法，它属于材料计算技术领域。本发明解决了衬底和薄膜结构模型预留距离过大影响几何优化过程的计算速度，以及可能无法模拟出最终能量最低的稳定结构的问题。本发明利用带有薄膜附件的X射线衍射仪对衬底和生长外延薄膜进行X射线小角衍射(SXRD)表征，得到衬底样品和薄膜样品的X射线小角衍射图谱，据此分别计算出衬底样品、薄膜样品、衬底样品与薄膜样品界面处原子层之间的晶面间距，然后利用上述晶面间距对利用Material Studio建立的初始结构模型的结构参数进行调整。本发明减少了几何优化步骤，大大缩短优化时间，同时有效避免计算过程陷入亚稳定结构陷阱，能够更准确地找到最终稳定结构。

技术领域

本发明属于材料计算技术领域，具体涉及一种根据XRD(X-ray Diffraction，X射线衍射)实验数据调整衬底和薄膜初始结构模型的结构参数的方法。

背景技术

随着新材料的飞速发展，材料学研究的体系越来越复杂，对于材料的结构、成分、性质和应用的理论研究也愈发困难，传统的解析推导方法已经无法指导实验的进行。由于缺乏了理论指导，所以科研人员只能是根据以往实验的经验、基于前人的工作，在各种工艺条件下反复摸索进行研究，造成时间和资源的大量浪费。

但是计算机科学与技术的发展，为研究复杂体系带来了新的可能性，研究者们可以把复杂的新材料作为研究对象，并产生了计算材料科学。计算材料科学从产生开始就得到了研究者们的高度关注，Material Studio、VASP等第一性原理计算商业软件的开发，更是促进了材料计算在材料设计和性能预测方面的应用。虽然目前已经有越来越多的测试仪器，测试仪器的精度也越来越高，但是对于材料某些性质的机理，很难仅从实验现象加以说明，只有从原子甚至电子尺度才能够更客观地被揭示，这也是材料计算科学的强大之处。

当一种材料与另一种不同的材料相连接时，如薄膜的制备过程，会形成界面，界面的结构和性质对于其连接性能十分重要，例如在薄膜制备过程中，薄膜与衬底之间界面的性能会影响到薄膜的结合力、薄膜在衬底上的生长质量，甚至会影响到实验过程中薄膜制备参数的选择。但是这样的界面相互作用即使利用高分辨率透射电镜也难以从原理上进行分析，这时，借助材料计算就能够从原子、电子之间相互作用和化学键形成角度对界面的结构和性能进行模拟。

通过建立界面模型对界面的结构和性能进行模拟的过程中，衬底材料的最上层原子与薄膜材料的最底层原子之间会存在较大的预留距离，这个距离与实验结果相差甚远，而且几何优化的过程有较多的步骤都是在缩短该距离，使得计算速度较为缓慢，同时，由于初始值与实验值的偏差较大，在几何优化过程中，结构可能会陷入能量极小值的亚稳态陷阱，而不能达到最终能量最低的稳定状态。

发明内容

本发明的目的是为解决界面模型预留距离过大影响几何优化过程的计算速度，以及可能无法模拟出最终能量最低的稳定结构的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于XRD实验数据调整衬底和薄膜初始结构模型的结构参数的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、衬底样品的制备；

步骤二、在衬底样品表面制备外延薄膜样品：

根据衬底样品材料和薄膜样品材料来选择外延生长工艺，在步骤一得到的衬底样品上外延生产厚度不大于5nm的薄膜样品；

步骤三、对衬底样品和薄膜样品进行测试与分析：

利用带有薄膜附件的X射线衍射仪对衬底样品和生长外延薄膜样品进行X射线小角衍射表征，得到薄膜样品与衬底样品特征峰位置相对应的衍射峰的衍射角；计算出衬底样品的原子层之间的晶面间距d_A，薄膜样品的原子层之间的晶面间距d_B；衬底样品与薄膜样品界面处原子层之间的晶面间距d_A/B等于薄膜样品的原子层之间的晶面间距d_B；