NiTi非晶薄膜的径向分布函数及结构分析

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试验与研究
NiTi非晶薄膜的径向分布函数及结构分析
展西国,单连君,姜训勇,张　建
(天津理工大学材料科学与工程学院,天津300191
摘　要:径向分布函数(RDF是描述非晶态材料结构的重要工具,一般是通过对衍射强度的解
析计算得到的。RAD程序是根据非晶材料X射线衍射数据计算其径向分布函数的集成程序。介
绍了该程序的结构和应用方法,并采用RAD程序计算了采用磁控溅射法制备不同成分NiTi合金的径向分布函数,利用径向分布函数计算了非晶微结构参数。结果表明非晶薄膜中钛含量不同影响了非晶微结构参数。
关键词:非晶薄膜;NiTi;径向分布函数;软件
中图分类号:TB43;TB383　　　文献标识码:A　　　文章编号:100124012(20080520223203
RADIALDISTRIBUTIONFUNCTIONANDTHESTRUCTURE
ANALYSISOFAMORPHOUSNiTiFILM
ZHANXi2guo,SHANLian2jun,JIANGXun2yong,ZHANGJian
(DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300191,China
Abstract:Radialdistributionfunction(RDFisaimportanttooltodemostratethemicrostructureof
noncystallinesolid.Itisusuallygetfromanalysisingthediffractionintesityofnoncrystallinesolid.RADisaintegratedprogrametocalcualtedRDFfromdiffractiondata.Themainpartofprogrameandthemainstepwereintroduced.TheradialdistributionfunctionofNiTifilmwithdifferentcompositionwerecalculatedbyRAD.Themicrostructureparameterofamorphousfilmwasobtainedfromtheanalysisoftheradialdistributionfunction.TheresultshowthatmicrostructureparameterofamorphousNiTiwasinfluencebythecontentofTi.
Keywords:Amorphousfilm;NiTi;Radialdistributionfunction;Software
　　非晶态结构中原子排列呈现长程无序、短程有
序的特点。短程有序包括最近邻原子的平均距离、实际距离偏离平均距离的程度、品种、数目和最大有序范围。这对应着四个结构参数,即最近邻原子平均距离r、原子平均位移σ、邻近原子配位数n和有序畴尺寸rs。所有这些参数可以通过径向分布函数RDF(RadialDistributionFunction、约化径向分布函数和双体分布函数获得。在这三种函数中最基础的是径向分布函数,其他两种函数可以通过径向分布函数演算获得。总之,径向分布函数的计算对于非晶材料的结构描述来说是十分重要的[1,2]。
RDF一般是通过对衍射强度的解析计算得到
收稿日期:2007207202
作者简介:展西国(1975-,男,硕士研究生。
的。如对于XRD衍射强度数据,需要经过吸收校正、归一化处理扣除不相干散射以及傅里叶变换等一系列处理程序才能获得RDF。这个过程比较复杂,对于非专业从事X射线研究的人员来说比较难以掌握。因此对于一般从事材料研究的工作者来说迫切需要一种好的工具来求解非晶材料的径向分布函数。保加利亚的V.Petkov编写了计算径向分布函数的通用程序RAD。它是利用X射线衍射数据解算径向分布函数的集成程序,操作简单,通用性强,容易使用,可从相关网站下载获得[3,4]。
笔者以磁控溅射法制备的不同成分NiTi非晶合金薄膜为研究对象,利用RAD程序计算在不同状态下材料的径向分布函数,并由径向分布函数计算得到非晶材料的微结构参数。
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1　RAD程序简介
RAD程序在DOS3.0x/以上和WINDOWS95/98/NT环境下运行。它由SETUPPD(衍射条
件建立、DATRED(衍射数据校正、NORM(衍射数据归一化和CALCRD(径向分布函数计算四部分组成。计算者只需按程序要求分步操作。操作顺序为:SETUPPD→DATRED→NORM→CAL2CRD,最终由X射线衍射数据得到径向分布函数。
RAD子程序SETUPPD用于建立非晶材料衍射的条件,由此程序可以产生一个参数文件,其中包括原子数量以及描述材料试样和衍射试验的参数,基本参数可从网上查询[5]。DATRED子程序对X射线的衍射数据进行吸收、偏振和背景散射的校正。需要试样衍射数据、背景衍射数据和衍射条件文件。NORM子程序对于衍射数据进行归一化处理的目的是扣除不相干散射和多次散射,最终计算得到约化结构因子Q[S(Q-1]。此程序输入文件为经过校正的XRD数据和衍射参数文件。CALCRD子程序的输入文件为归一化后的衍射数据和衍射参数文件。最终通过傅里叶转换可以计算得到约化分布函
πr[ρ(r-ρρ数G(r=40](0为平均原子数密度、
双体分布函数g(r=ρ(r/ρ0和径向分布函数(RDF=4πr2ρ(r。
(a　双体分布函数
(b　径向分布函数
图1　由径向分布函数得到的短程有序结构参数
Fig.1　ShortdistancestructureparametergetfromRDF
进行结构分析。
3　试验结果与分析
图2表示钛的原子分数为0.49,0.53和0.54
时的NiTi非晶薄膜XRD谱,可见在上述状态下制备的薄膜为非晶态,且具有典型的非晶单头峰特征。
描述非晶材料的短程有序的四个结构参数r,σ,n和rs可通过G(r,g(r和RDF来获取[1,2]。具体方法见图1。r为最近邻原子平均距离(曲线第一峰所对应的原子间距处;rs为有序畴尺寸(曲线收敛于1处所对应的原子间距处;n为邻近原子配位数(曲线第一峰下的面积;σ为原子平均位移(曲线的第一个峰半高宽的1/2.36。从图中可以看到,由双体分布函数可获得原子平均位移和有序畴尺寸;由径向分布函数可获得邻近原子配位数和原子平均位移。
2　试样的制备及测试方法
试验采用直流磁控溅射法制备NiTi形状记忆合金薄膜。采用NiTi合金靶,薄膜中钛原子分数分别为0.49,0.53和0.54,薄膜制备时溅射气压为0.5Pa,基板为玻璃载物片,溅射功率为250W(对应靶材尺寸为<50mm,薄膜沉积速率为2nm/s,溅射薄膜的厚度在10～15μm,在薄膜制备的过程中基板不加热。
采用D/max2200pc型X射线衍射仪对薄膜
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图2　三种不同成分薄膜的XRD谱
Fig.2　XRDdiffractionpatternoffilmswith
threekindsofdifferentcomposition
图3为三种不同成分薄膜双体分布函数的比较。同时比较了有序畴尺寸和最近邻原子平均距
离。从图中可以看到对于三种成分的薄膜双体分布函数随着原子间距的增加均趋近于1,这是典型非晶结构的特点。从图中还可以看到随着非晶合金中

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钛的增加,峰值处所对应的原子间距值减小,也就是最近邻原子平均距离r减小,即r1<r2<r3。同时随着钛含量的增加,有序畴尺寸rs增加,即rs1>rs2>rs3。进一步分析发现NiTi54和NiTi53薄膜的微结构参数相近,它们与NiTi49薄膜的近邻原子间距和有序畴尺寸有较大差别。试验所选择的薄膜中钛成分在50%左右。RDF计算表明,NiTi非晶薄膜中钛原子分数超过50%与低于50%的短程有序是不同的。
从以上分析可以看到,对于NiTi合金,钛含量超过50%与低于50%的非晶薄膜的微结构是不同的。也就是说对于富镍与富钛的NiTi非晶合金的原子最近邻结构有所不同。非晶微结构的不同直接影响了非晶薄膜的结晶行为[6]。文献中采用热分析方法测量了含钛量不同的NiTi薄膜的晶化激活能。结果表明富镍的薄膜的晶化激活能比富钛薄膜要高。从RDF计算结果看,富镍薄膜的有序畴尺寸小于富钛薄膜,因此非晶富镍薄膜加热晶化时需要消耗更多的能量以达到结晶所需的有效晶核的尺寸,从而导致富镍薄膜晶化激活能较高。
4　结论
随着非晶态NiTi薄膜中钛含量的增加,材料的最近邻原子平均距离r减小,有序畴尺寸rs增大,原子平均位移增加。随着合金中钛的增加,富钛的薄膜邻近原子配位数基本相近,但是与富镍的薄膜(钛含量为0.49有一定差别。从试验结果看,RAD
图3　三种成分薄膜双体分布函数的比较
Fig.3　Comparationofpairdistributionfunction
ofthreekindsoffilm
程序是研究非晶材料结构的有力工具。参考文献:
[1]　黄胜涛.非晶态材料的结构和结构分析[M].北京:科
图4为三种不同成分薄膜径向分布函数的比较。从图中可以看到,在原子间距开始较小时函数曲
线呈锯齿形向上攀升,而随着原子间距的增加,函数
πr2ρ曲线趋近于曲线4随着合0,为典型的非晶特征。
金中钛的增加,富钛的薄膜邻近原子配位数基本相近,RDF中第一个峰面积相近,但是与富镍的薄膜(钛含量为0.49有一定差别。另外随着薄膜中钛含量的增加,径向分布函数曲线中相应的第一峰的半高宽增加,表明在这种情况下原子平均位移σ增大。
学出版社,1987:10-13.
[2]　莫志深,张宏放.非晶聚合物结构和X射线衍射[M].
北京:科学出版社,2003:337-340.
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[4]　PetkovV.RAD,aprogramforanalysisofX2raydif2
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[6]　姜训勇.形状记忆合金/超磁致伸缩合金的复合及其多
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图4　三种不同成分薄膜的径向分布函数的比较
Fig.4　Comparationofradialdistribution
functionofthreekindsoffilm
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《理化检验2物理分册》编辑部
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