專利名稱：一種銅單晶的定向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬單晶元器件的制備加工領(lǐng)域，特別涉及一種無方向特征的銅單晶體 的定向方法。
背景技術(shù)：
銅單晶是中子單色器的理想用材，釆用Bridgman-Stockbarger法(B-S法)制備的銅單 晶，生長出的晶錠通常為圓柱狀，外觀無明顯的方向特征，加工制作器件必須首先對其 進(jìn)行定向。直接采用X射線衍射儀對銅單晶錠定向存在的困難是(1)由于銅單晶體沒 有自然解理面，缺乏定向的基準(zhǔn)；(2)由于銅單晶體質(zhì)地較軟，切割和研磨都會破壞銅 晶面的原子排列，致使相應(yīng)晶面的X射線衍射譜出現(xiàn)多個晶面的衍射峰。因此，用常規(guī) 方法對銅單晶體定向十分困難。
關(guān)于銅單晶的定向，S.M.Schwarz在"Bicrystal growth and characterization of copper twist grain boundaries"(見Journal of Crystal Growth 222 (2001) 392-398)中報道了用背 反射勞厄法定向，其缺點(diǎn)是精度低，操作步驟較多，定向周期長，通常完全確定一個樣 品的方位需要幾天，給實驗和生產(chǎn)帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的銅單晶定向方法，此種方 法不僅定向精度高、操作方便，而且定向周期短。
本發(fā)明所述銅單晶的定向方法，步驟如下
(1) 銅單晶錠的處理
在常壓、室溫(室內(nèi)自然溫度，15 25'C)下將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度35~45%的 硝酸溶液中浸蝕，浸蝕時間以銅單晶錠表面出現(xiàn)至少一組取向一致的反光面為限，然后 將銅單晶錠從硝酸溶液中取出用堿性清洗劑終止浸蝕反應(yīng)(時間5 10秒)，再用純凈 水清洗至中性并干燥，繼后以一組反光面為參考面，在銅單晶錠上磨出一個平行于所述 參考面的平面，定義該平面為初平面；
(2) 確定銅單晶定向晶面的晶面指數(shù)
用X射線衍射儀對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行X射線衍射e-29聯(lián)動掃描分析，將其X射線衍射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(hkl)確定為定向晶面的晶面指數(shù)； (3)采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正 將銅單晶錠固定在載物臺上，讓銅單晶錠上的初平面位于樣品臺的衍射面位置，將
X射線衍射儀的計數(shù)管固定于26角位置，然后轉(zhuǎn)動樣品臺測定銅單晶錠上初平面的X
射線衍射回擺譜，獲得其x射線衍射回擺譜的峰值ea，根據(jù)Ae叫ea-6ci計算出Ae，式中，
0c為定向晶面(hkl)的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰值，
根據(jù)計算出的Ae對銅單晶錠上的初平面迸行至少一次研磨修正，再將每次修正后的 平面按上述方位放置、用上述方法測定其x射線衍射回擺譜，當(dāng)Aew則完成了第一輪 修正，
將上述修正后的銅單晶錠上的平面旋轉(zhuǎn)卯。放置在載物臺上并固定，重復(fù)上述操作 對其進(jìn)行再一輪修正，當(dāng)Ae再次w時，獲最終修正面，所述最終修正面的法線平行于
定向晶面(hkl)的法線；
(4)去除最終修正面表面的擾亂原子層
將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定
向的銅單晶晶面(Wd)。
上述方法中，所述堿性清洗劑為質(zhì)量濃度5 10%的NaOH溶液或質(zhì)量濃度10 20% 的NaC03溶液。
上述方法中，所述純凈水為去離子水或蒸餾水。
上述方法中，對初平面進(jìn)行新磨修正采用水砂紙，所述水砂紙上滴有質(zhì)量濃度 15~25%的硝酸溶液。
上述方法中，去除最終修正面表面的擾亂原子層時，最終修正面的研磨在滴有質(zhì)量 濃度15~25%的硝酸溶液的水砂紙上研磨，研磨時間10 30分鐘，研磨后的物理化學(xué)拋 光釆用PH值為8~9的Al203懸濁液，所述懸濁液中，八1203的質(zhì)量濃度為8~12%、粒
徑小于0.5 u m，物理化學(xué)拋光的時間以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描所
獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限。
上述方法中，硝酸溶液、NaOH溶液、NaC03溶液、AI203懸濁液均用去離子水或蒸餾 水配制，Ai203懸濁液用NaOH溶液或NaC03溶液調(diào)PH值。
本發(fā)明具有以下有益效果
1、本發(fā)明所述方法以銅單晶錠浸蝕后的反光面為參考面磨出初平面進(jìn)行初步定向， 采用X射線衍射回擺法對初平面進(jìn)行修正，因而定向精度高、成功率高，定向時間與現(xiàn)有方法相比大為縮短，僅為3 ~4小時。
2、 采用X射線衍射儀的回擺功能測定銅單晶錠上初平面及初平面的修正面的回擺 譜，不僅操作簡單，而且有利于環(huán)境保護(hù)和操作者的身體健康。
3、 所用設(shè)備X射線衍射儀為常規(guī)設(shè)備，不需在設(shè)備方面增加投資。


圖1是釆用B-S法生長的圓柱狀銅單晶錠的照片；
圖2是銅晶錠上一個初平面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)；
圖3是采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正時，銅單晶錠及X 射線發(fā)生器、計數(shù)管的安裝示意圖，圖中，1一X射線發(fā)生器、2—計數(shù)管、3—銅單晶 錠、4一初平面；
圖4是對初平面進(jìn)行修正過程中所獲得的X射線衍射回擺譜的峰值eal、 9a2和定向
晶面(hki)的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰值e。的示意圖5是對圖2所述銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正所獲最終修正面去除表面擾亂原子
層后形成的(220)晶面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)。
圖6是銅晶錠上另一個初平面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)；
圖7是對圖6所述銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正所獲最終修正面去除表面擾亂原子
層后形成的(200)晶面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)；
圖8是銅晶錠上又一個初平面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)；
圖9是對圖8所述銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正所獲最終修正面去除表面擾亂原子
層后形成的(111)晶面的X射線衍射譜圖(XRD譜圖)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以實施例的方式對本發(fā)明所述方法作進(jìn)一步說明。下述實施例中， 所用化學(xué)試劑均為分析純。 實施例1
本實施例中，需要定向的銅單晶錠為圓柱狀，其表面無明顯的方向特征，如圖l所 對上述圓柱狀銅單晶錠定向的操作步驟如下
(1)銅單晶錠的處理
在常壓、室溫(25°C)下將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度35%的硝酸溶液中浸蝕，浸蝕時 間以銅單晶錠表面出現(xiàn)一組取向一致的反光面為限(40分鐘左右)，然后將銅單晶錠從硝酸溶液中取出放入質(zhì)量濃度5%的NaOH溶液中擺動清洗終止浸蝕反應(yīng)，時間約5秒， 再用去離子水清洗至中性并用酒精沖洗后自然晾干，繼后依次采用0#—2#—4#-6# 金相砂紙進(jìn)行粗磨，細(xì)磨，在銅單晶錠上磨出一個平行于所述反光面的平面，定義該平 面為初平面；
(2) 確定銅單晶定向晶面的晶面指數(shù)
用X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司的DX-2000型)對步驟(1)磨出的銅
單晶錠上的初平面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描分析，所述初平面的x射線衍射譜圖
如圖2所示，將圖2所示X射線衍射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(220)確定為定向 晶面的晶面指數(shù)；
(3) 采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正 X射線衍射儀為丹東方圓儀器有限公司的DX-2000型，將銅單晶錠固定在載物臺上，
讓銅單晶錠上的初平面位于樣品臺的衍射面位置，將X射線衍射儀的計數(shù)管固定于29 角位置，如圖3所示；轉(zhuǎn)動樣品臺測定銅單晶錠上初平面的X射線衍射回擺譜，獲得其
x射線衍射回擺譜的峰值eai二23.卯。(見圖4)，根據(jù)A9i叫ea廣eci計算出Ae"式中，ec
為定向晶面(220)的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰值(37.06°)，根據(jù)計算出的A9！ (13.16°)對銅單晶錠 上的初平面進(jìn)行研磨修正(研磨修正依次用600#—800#—1000#水砂紙，所述水砂紙 上滴有質(zhì)量濃度為15%的硝酸溶液，研磨修正后用去離子水清洗至中性并用酒精沖洗后 自然晾干)，再將每次修正后的平面按上述方位放置、用上述方法測定其X射線衍射回 擺譜，峰值9a^30.89。(見圖4)、 Ae2叫ea2-e。i二6.77。， —，當(dāng)A9-0則完成了第一輪 修正；
將上述修正后的銅單晶錠上的平面旋轉(zhuǎn)卯。放置在載物臺上并固定，重復(fù)上述操作
對其進(jìn)行再一輪修正，當(dāng)Ae再次i時，獲最終修正面，所述最終修正面的法線平行于
定向晶面(220)的法線；
(4) 去除最終修正面表面的擾亂原子層 將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定
向的銅單晶晶面(220);最終修正面的研磨依次在滴有質(zhì)量濃度15%的硝酸溶液的800 #一1000弁一1200#水砂紙上研磨，研磨時間30分鐘左右，研磨后的物理化學(xué)拋光采 用PH值為8的Al203懸濁液，所述懸濁液用去離子水和粒徑小于0.5ura的入1203粉末 配制，用NaOH溶液調(diào)PH值，懸濁液中八1203的質(zhì)量濃度為8%，物理化學(xué)拋光的時間 以對拋光后的晶面進(jìn)行X射線衍射e-2郎關(guān)動掃描所獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限，
7水清洗至中性并晾干，將經(jīng)研磨和拋光處理的銅單晶錠上的晶面 用X射線衍射儀分析，所獲X射線衍射譜圖如圖5所示，從圖5中可以看出，只有(220) 的衍射峰出現(xiàn)，雜峰已經(jīng)去除，表明最終修正面表面的擾亂原子層已完全去除，定向面 的晶面指數(shù)為(220)。 實施例2
本實施例中，需要定向的銅單晶錠為圓柱狀，其表面無明顯的方向特征，如圖l所示。
對上述圓柱狀銅單晶錠定向的操作步驟如下
(1) 銅單晶錠的處理
在常壓、室溫(15°C)下將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度45%的硝酸溶液中浸蝕，浸蝕時 間以銅單晶錠表面出現(xiàn)兩組取向一致的反光面為限(1.2小時左右)，然后將銅單晶錠從 硝酸溶液中取出放入質(zhì)量濃度10%的NaOH溶液中擺動清洗終止浸i;蟲反應(yīng)，時間約10 秒，再用去離子水清洗至中性并用酒精沖洗后自然晾干，繼后以其中一組反光面為參考 面，依次采用0#—2#—4弁-6#金相砂紙進(jìn)行粗磨，細(xì)磨，在銅單晶錠上磨出一個平
行于所述參考面的平面，定義該平面為初平面；
(2) 確定銅單晶定向晶面的晶面指數(shù)
用X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司的DX-2000型)對步驟(1)磨出的銅
單晶錠上的初平面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描分析，所述初平面的x射線衍射譜圖
如圖6所示，將圖6所示X射線樹射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(200)確定為定向 晶面的晶面指數(shù)；
(3) 采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正 操作方法與實施例l相同，與實施例1不同之處是對初平面進(jìn)行研磨修正時，所述
水砂紙上滴有質(zhì)量濃度為25%的硝酸溶液；
(4) 去除最終修正面表面的擾亂原子層
將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定 向的銅單晶晶面(200);最終修正面的研磨依次在滴有質(zhì)量濃度25%的硝酸溶液的800 #一1000弁一1200#水砂紙上研磨，研磨時間10分鐘左右，研磨后的物理化學(xué)拋光采 用PH值為9的A1203懸濁液，所述懸濁液用去離子水和粒徑小于0.5 u m的A1203粉末 配制，用NaOH溶液調(diào)PH值，懸濁液中A1203的質(zhì)量濃度為12%，物理化學(xué)拋光的時
間以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描所獲x射線衍射譜圖中無雜峰為限，
8物理化學(xué)拋后用去離子水清洗至中性并晾千，將經(jīng)研磨和拋光處理的銅單晶錠上的晶面 用X射線衍射儀分析，所獲X射線衍射譜圖如圖7所示，從圖7中可以看出，只有(200)、 (400)的衍射峰出現(xiàn)，雜峰已經(jīng)去除，表明最終修正面表面的擾亂原子層已完全去除， 定向面的晶面指數(shù)為(200)。 實施例3
本實施例中，需要定向的銅單晶錠為圓柱狀，其表面無明顯的方向特征，如圖l所示。
對上述圓柱狀銅單晶錠定向的操作步驟如下
(1) 銅單晶錠的處理
在常壓、室溫(2(TC)下將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度45%的硝酸溶液中浸蝕，浸蝕時 間以銅單晶錠表面出現(xiàn)兩組取向一致的反光面為限G小時左右)，然后將銅單晶錠從硝 酸溶液中取出放入質(zhì)量濃度15。/。的NaC03溶液中擺動清洗終止浸蝕反應(yīng)，時間約10秒， 再用去離子水清洗至中性并用酒精沖洗后自然晾干，繼后以其中一組反光面為參考面， 依次采用0#—2#—4#-6井金相砂紙進(jìn)行粗磨，細(xì)磨，在銅單晶錠上磨出一個平行于 所述參考面的平面，定義該平面為初平面；
(2) 確定銅單晶定向晶面的晶面指數(shù)
用X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司的DX-2000型)對步驟(1)磨出的銅
單晶錠上的初平面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描分析，所述初平面的x射線衍射譜圖
如圖8所示，將圖8所示X射線街射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(111)確定為定向 晶面的晶面指數(shù)；
(3) 采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正 操作方法與實施例l相同，與實施例1不同之處是對初平面進(jìn)行研磨修正時，所述
水砂紙上滴有質(zhì)量濃度為20%的硝酸溶液；
(4) 去除最終修正面表面的擾亂原子層
將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定 向的銅單晶晶面(111);最終修正面的研磨依次在滴有質(zhì)量濃度20%的硝酸溶液的800
#_ 1000# —1200井水砂紙上研磨，研磨時間8分鐘左右，研磨后的物理化學(xué)拋光采用 PH值為8的Al203懸濁液，所述懸濁液用去離子水和粒徑小于0.5 u m的八1203粉末配 制，用NaC03溶液調(diào)PH值，懸濁液中八1203的質(zhì)量濃度為10%，物理化學(xué)拋光的時間
以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描所獲x射線衍射譜圖中無雜峰為限，物理化學(xué)拋后用去離子水清洗至中性并晾干，將經(jīng)研磨和拋光處理的銅單晶錠上的晶面 用X射線衍射儀分析，所獲X射線衍射譜圖如圖9所示，從圖9中可以看出，只有(lll)、 (222)的衍射峰出現(xiàn)，雜峰已經(jīng)去除，表明最終修正面表面的擾亂原子層己完全去除， 定向面的晶面指數(shù)為(111)。
權(quán)利要求
1、一種銅單晶的定向方法，其特征在于步驟如下(1)銅單晶錠的處理在常壓、室溫下將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度35～45％的硝酸溶液中浸蝕，浸蝕時間以銅單晶錠表面出現(xiàn)至少一組取向一致的反光面為限，然后將銅單晶錠從硝酸溶液中取出用堿性清洗劑終止浸蝕反應(yīng)，再用純凈水清洗至中性并干燥，繼后以一組反光面為參考面，在銅單晶錠上磨出一個平行于所述參考面的平面，定義該平面為初平面；(2)確定銅單晶定向晶面的晶面指數(shù)用X射線衍射儀對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行X射線衍射θ-2θ聯(lián)動掃描分析，將其X射線衍射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(hkl)確定為定向晶面的晶面指數(shù)；(3)采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正將銅單晶錠固定在載物臺上，讓銅單晶錠上的初平面位于樣品臺的衍射面位置，將X射線衍射儀的計數(shù)管固定于2θ角位置，然后轉(zhuǎn)動樣品臺測定銅單晶錠上初平面的X射線衍射回擺譜，獲得其X射線衍射回擺譜的峰值θa，根據(jù)Δθ＝|θa-θc|計算出Δθ，式中，θc為定向晶面(hkl)的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰值，根據(jù)計算出的Δθ對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行至少一次研磨修正，再將每次修正后的平面按上述方位放置、用上述方法測定其X射線衍射回擺譜，當(dāng)Δθ＝0則完成了第一輪修正，將上述修正后的銅單晶錠上的平面旋轉(zhuǎn)90°放置在載物臺上并固定，重復(fù)上述操作對其進(jìn)行再一輪修正，當(dāng)/Δθ再次＝0時，獲最終修正面，所述最終修正面的法線平行于定向晶面(hkl)的法線；(4)去除最終修正面表面的擾亂原子層將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定向的銅單晶晶面(hkl)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述銅單晶的定向方法，其特征在于所述堿性清洗劑為質(zhì)量濃 度5~10%的NaOH溶液或質(zhì)量濃度10 20%的NaC03溶液。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述銅單晶的定向方法，其特征在于所述純凈水為去離子 水或蒸餾水。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述銅單晶的定向方法，其特征在于對初平面進(jìn)行研磨修 正釆用水砂紙，所述水砂紙上滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述銅單晶的定向方法，其特征在于對初平面進(jìn)行研磨修正釆 用水砂紙，所述水砂紙上滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述銅單晶的定向方法，其特征在于去除最終修正面表面 的擾亂原子層時，最終修正面的研磨在滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液的水砂紙上研 磨，研磨時間10 30分鐘，研磨后的物理化學(xué)拋光采用PH值為8~9的Al203懸濁液， 所述懸濁液中，A1203的質(zhì)量濃度為8~12%、粒徑小于0.5iim，物理化學(xué)拋光的時間以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描所獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述銅單晶的定向方法，其特征在于去除最終修正面表面的擾 亂原子層時，最終修正面的研磨在滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液的水砂紙上研磨， 研磨時間10 30分鐘，研磨后的物理化學(xué)拋光采用PH值為8~9的八1203懸濁液，所述 懸濁液中，A1203的質(zhì)量濃度為8~12%、粒徑小于0.5iim，物理化學(xué)拋光的時間以對拋 光后的晶面進(jìn)行X射線衍射e-29聯(lián)動掃描所獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述銅單晶的定向方法，其特征在于去除最終修正面表面的擾 亂原子層時，最終修正面的研磨在滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液的水砂紙上研磨， 研磨時間10 30分鐘，研磨后的物理化學(xué)拋光采用PH值為8~9的Al203懸濁液，所述 懸濁液中，八1203的質(zhì)量濃度為8~12%、粒徑小于0.5um，物理化學(xué)拋光的時間以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e缺動掃描所獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述銅單晶的定向方法，其特征在于去除最終修正面表面的擾 亂原子層時，最終修正面的研磨在滴有質(zhì)量濃度15~25%的硝酸溶液的水砂紙上研磨， 研磨時間10 30分鐘，研磨后的物理化學(xué)拋光采用PH值為8~9的Al203懸濁液，所述 懸濁液中，A1203的質(zhì)量濃度為8~12%、粒徑小于0.5um，物理化學(xué)拋光的時間以對拋光后的晶面進(jìn)行x射線衍射e-2e聯(lián)動掃描所獲X射線衍射譜圖中無雜峰為限。
全文摘要
一種銅單晶的定向方法，步驟如下(1)將銅單晶錠放入質(zhì)量濃度35～45％的硝酸中浸蝕，浸蝕時間以銅單晶錠表面出現(xiàn)至少一組取向一致的反光面為限，以一組反光面為參考面，在銅單晶錠上磨出一個平行于所述參考面的平面，定義該平面為初平面；(2)用X射線衍射儀對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行X射線衍射θ-2θ聯(lián)動掃描分析，將其X射線衍射譜圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的晶面指數(shù)(hkl)確定為定向晶面的晶面指數(shù)；(3)采用X射線衍射回擺法對銅單晶錠上的初平面進(jìn)行修正，獲法線平行于定向晶面(hkl)法線的最終修正面；(4)將所述最終修正面通過研磨與物理化學(xué)拋光去除表面的擾亂原子層，即獲得準(zhǔn)確定向的銅單晶晶面(hkl)。
文檔編號B23P17/00GK101659004SQ200910164398
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者何知宇, 唐世紅, 朱世富, 肖懷安, 趙北君, 陳寶軍 申請人:四川大學(xué)