晶体生长质量快速测试利器：X射线劳厄(Laue)实时晶体定向系统

1895年，德国物理学家威廉·伦琴发现了X射线，揭开了科学研究的新篇章。随后在1912年，同来自德国的马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）使用X射线照射晶体，首次观察到衍射图样，不仅验证了X射线是电磁波，还揭示了晶体内部的周期性结构。这一发现为X射线晶体学的发展奠定了基础，帮助科学家们打开了探索物质微观世界的大门，劳厄也因这一杰出的贡献于1914年获得诺贝尔物理学奖。

劳厄衍射是研究单晶材料结构和取向的极其有用的工具，可用于量化晶体的实际生长方向与预期生长方向的偏差程度，并以此进行质量控制或重新定向晶体以便随后切割。此外，还可以对大型样品进行扫描，检测整个块体晶体的晶粒和取向分布。

图1. 劳厄衍射实验图案（左），劳厄百年纪念邮票（右）

劳厄衍射通常具有透射模式和背反射模式。使用一个多色低能（50keV）X 射线束照射样品，透射或者反射出X射线束，形成一组衍射点，这些点被直接记录在探测器上，衍射图的斑点索引对于每个晶体取向都是特定的。

图2. 透射劳厄衍射（左）；背反射（右）

对于透射式的劳厄衍射模式，X射线需要穿过样品，发生衍射后被样品背后的探测器接收，因此样品需要足够薄，通常厚度不能太大（几百微米或更小），可以研究晶体内部结构和三维晶体的取向。

而反射式的样品可以较厚，用于研究晶体表面或近表面的取向，可以对大尺寸样品进行非破坏性检测。

如果我们深入研究一下劳厄衍射的物理原理，就会发现是X射线与晶体原子排列之间的相互作用。如果满足布拉格定律，晶体中的某些原子面会对X射线产生特定方向的衍射。

图3. 布拉格衍射示意图

布拉格定律：当X射线束的入射角使得晶面之间的X射线路径长度差为波长的整数倍时，就会发生相长干涉，从而产生衍射光束。专用的 Laue软件可以利用布拉格方程推导出晶格三个角轴上的精确错切角，记录与理论点位置的偏差。

劳厄衍射技术可以测定晶体的取向以及判断晶体缺陷情况，因此可用于检测新生长晶体的取向与质量、对待切割晶体进行定向、对半导体晶圆、太阳能板等大型晶片进行扫描检测。下面是一些使用英国Photonic Science公司的X射线劳厄(Laue)实时晶体定向系统进行实验的案例。

德国基尔霍夫物理研究所的Ning Yuan等人，利用高压光学浮区炉在20bar氧气气氛下生长了高质量的La₄Ni₃O₁₀单晶^[1]，通过XRD、Laue、松弛法等方法，研究在压力下进行退火对晶体结构的影响。实验中，使用劳厄衍射对生长后的单晶进行定向和切割。如下图4，左图为切割后的单晶体，右图为沿c轴取向的劳厄衍射图。图中衍射斑点锐利完整，证明该晶体质量较高。

图4. La₄Ni₃O₁₀单晶c轴劳厄衍射图

北京大学纳米光电子前沿科学中心的Li Xingguang等人开发了一种利用单晶铜模板，将工业电解铜箔转化为单晶的方法^[2]，成功生产出低指数和高指数的不同晶面，单晶厚度可达500 μm。通过晶体学表征技术直接证实了单晶铜模板的同化作用。

图5. 铜模版的复制示意图

上图为将原始电解铜箔转化为单晶的两个步骤示意图。将原始电解铜箔堆叠到单晶铜 (SC Cu) 模板上，在复制退火后原始电解铜箔变为单晶。使用劳厄实时晶体定向系统进行验证。如图6，(a)为单晶铜(111)模板的劳厄衍射图，(b)单晶电解铜箔(111)的劳厄衍射图，两幅图像的一致性证明了电解铜箔成功复制了单晶铜模板的取向。

图6. (a)单晶铜(111)模板的劳厄衍射图；(b)单晶电解铜箔(111)的劳厄衍射图

台湾大学的Dong Shen在研究AuSn₄单晶的过程中，也使用XRD和X射线劳厄衍射仪对晶体进行检测^[3]。如图7，在XRD光谱中，其中仅观察到（00n）（n = 2、4、6、8）衍射峰，表明[001]方向垂直于晶体平面。右上角的插图显示了单晶AuSn₄的劳厄衍射图案，根据劳厄图案中的尖锐斑点判断，晶体结晶良好。衍射图案中的所有峰都可以很好地与正交Aea2空间群相关联，结构类似于PtSn₄。

图7. AuSn₄单晶的XRD谱图和劳厄衍射图案

Photonic Science X射线劳厄(Laue)实时晶体定向系统结合了高亮度微焦点X射线源、低噪音大面积X射线探测器以及手动或电动平台，提供精准、高效的晶体取向分析解决方案。与传统的两千瓦X射线源相比，该系统仅需50W的有效功率，省去了复杂的冷却系统，极大提高了操作的简便性和能效；依靠自动的laue分析软件，可以在几秒内完成对晶体的快速定向。

图8. 劳厄晶体取向系统

图9. 垂直光路模式（左）；水平光路模式（右）

该劳厄系统将50W的低功率微焦点X射线源与多毛细管元件相结合，可提供高通量和精确的劳厄衍射X射线束，与距离光源270 毫米的 0.3毫米针孔获得的X射线强度相比，聚焦增益高达3600倍。这种高聚焦增益使得该系统可以直接与功率高得多的光源竞争，尽管功率明显较低，但仍可提供相当甚至更好的通量，为实验室提供了强大而友好的解决方案。

除了最大限度地提高X射线效率外，使用低功率源和X射线光学元件还为实验室和工业应用提供了多种实际优势。该X射线光学元件在标准系统中可提供450 µm FWHM的聚焦光斑尺寸，或在精细聚焦装置中提供250 µm FWHM的聚焦光斑尺寸。这种紧凑、高通量的小光斑非常适合分析实验室培育的小型晶体，可以改善小样本的信号，还可以提高测量精度。此外，使用低功率X射线源无需笨重的水冷系统，并减少了维护需求，从而大大节省了实验室空间、运行时间和总体预算。这不仅使系统更高效，而且更易于在各种环境中安装和操作。

系统还可根据客户的环境和要求提供核心解决方案，进行高度定制，例如样品台既可以容纳亚毫米范围的样品，也可以容纳涡轮合金等较大的部件；可以自动对大型多晶样品（如太阳能电池）进行多达10,000次取向测量，有助于了解晶粒取向对电池效率的影响；对于探测器材料（例如 CdTe、GaAs）、微电子基板（例如 GaN）、切割成晶片的压电材料等需求自动批量测试的场景，能够提供可容纳多达100个样品的样品架，只需按下一个按钮即可扫描这些样品。

图10. 多晶硅晶片扫描系统（左）；晶粒取向图样（右）

从左至右：欧洲XFEL、布鲁克海文国家实验室、奥地利科学技术研究所。

众星联恒致力于引进高端的EUV/SXR/X射线产品、及新孵化高新技术产品给中国的同步辐射，研究所，高校及高端制造业的客户。我司可提供短波波段全光路系统所需的核心部件以及解决方案，包括：1. X射线/EUV光源；2. X射线/SXR/EUV光学元件；3. X射线/SXR/EUV/可见光及电子探测器；4. VUV/XUV/X射线光谱仪；5. X射线分析系统解决方案；6. 辉光放电质谱仪等分析仪器。

除了标准化产品外，针对客户的特定需求我们还可提供定制化的解决方案，即使是最具挑战性的前沿应用领域，也能提供高效的X射线/EUV全套解决方案，助力我国科研创新及产业升级。

除此之外，我们还积极的打造极紫外、X射线领域的知识和咨询分享平台，我们会不定期分享一些行业会议、新技术、新产品等信息。同时我们还打造X射线开发实验室，可以给大家提供大量极紫外、X射线领域先进核心部件的展示、技术培训和相应的方案实施。

 内容   Albus

 编辑  小乔