CN114858324B - 一种碳化硅晶体的残余应力检测方法和*** - Google Patents

一种碳化硅晶体的残余应力检测方法和*** Download PDF

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Abstract

一种碳化硅晶体的残余应力检测方法和***，涉及碳化硅晶体的应力检测技术领域，包括以下步骤：计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力‑晶格常数对照表；获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数；参照所述应力‑晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。本专利提出的残余应力检测方法从原理上不依赖晶体材料的任何实验参数，不需要预先知道材料的力学性质。

Description

一种碳化硅晶体的残余应力检测方法和***
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体的残余应力检测方法和***。
背景技术
X射线衍射法（XRD）是实验应力分析方法的一种，利用X射线穿透晶体材料晶格时发生衍射的原理，测量晶体材料由于晶格间距变化所产生的应变，从而计算出应力，是一种对晶体材料表层应力或残余应力的无损检测方法。目前利用XRD测定残余应力的方法主要是测量材料的表面层由于晶格间距变化所产生的应变，从而计算出应力。现有方案基于经典弹性力学理论，建立各向同性材料在任意方向的应变与该方向上的应力关系，通过测量不同测试角下衍射角的变化，对测试数据进行拟合得到该方向上的残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。
其主要缺陷在于：
（1）X射线衍射技术检测残余应力的方法实际测量的物理量为应变，需要基于经典弹性力学理论才能计算得到残余应力，因此从原理上限制了该方法只能测量纯弹性应变，而无法测量非弹性应变。
（2）X射线衍射技术检测残余应力的方法在将应变转换为残余应力时，还需要预先知道材料的弹性模量和泊松比等力学性质，在不了解待测材料的力学性质或测得的力学性质有误差时，将无法使用该方法，或会给残余应力的检测带来误差。
（3）X射线衍射技术检测残余应力的方法需要改变ψ，进行多次X射线实验确定衍射角，费时繁琐，计算残余应力的方法也较为繁琐，不能根据实验结果立即获得残余应力的数据；
（4）X射线衍射技术检测残余应力的方法中，应力与应变的关系式（2）仅适用于力学性质具有各向同性的材料中，而不能获得各向异性的残余应力。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种新的思路去解决碳化硅晶体的残余应力检测。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，包括以下步骤：
计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数；
参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。
优选的，其中，根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数的方法，包括：根据晶面间距计算公式和布拉格定律计算得到晶格常数计算公式为：
Figure 344540DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 323997DEST_PATH_IMAGE002
； （2）
通过摇摆曲线计算角度θ，以公式（1）和（2）计算所述第二晶格常数，其中λ为光源波长，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数。
其中，采用公式（3）计算所述晶面间距：
Figure 916784DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数，h、k、l为晶面指数。
优选的，获取具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系的对照表的方法包括：
根据密度泛函理论计算不同应力下晶体的第一晶格常数，得到对照表。
优选的，所述采用DFT计算软件计算第一晶格常数，输入应力参数范围数值、材料结构和材料元素组分，输出应力-晶格常数对照表。
其中，所述DFT计算软件包括CASTEP、Abinit和VASP软件。
优选的，所述计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表，还包括修正方法，若计算得到的常压下晶格常数与已知的常压下实验得到的晶格常数不同，则修正，使得常压下计算得到的晶格常数和实验得到的晶格常数相同。
基于上述方法进一步提供一种碳化硅晶体的残余应力检测***，包括：
第一计算机处理单元，用于安装DFT计算软件，计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
第二计算机处理单元，获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
根据晶面间距计算公式和布拉格定律，以所述角度θ计算第二晶格常数；
第三计算机处理单元，参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。
本发明的有益效果：
本专利提出的残余应力检测方法从原理上不依赖晶体材料的任何实验参数，不需要预先知道材料的力学性质；
本专利提出的残余应力检测方法从原理上不依赖弹性力学，可测量非弹性形变产生的残余应力；
本专利提出的残余应力检测方法通过预先的建立应力-晶格常数表，无须复杂的应变计算和重复测量即可获得应变信息；
本专利提出的残余应力检测方法可测量不同晶向的残余应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是碳化硅晶体的残余应力检测方法的流程图；
图2是4H碳化硅晶体的摇摆曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，如图1，包括以下步骤：
（一）计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
（二）通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
（三）根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数；
（四）参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。
其中，（一）获取具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系的对照表的方法包括：根据密度泛函理论计算不同应力下晶体的第一晶格常数，得到对照表。
本实施例中，可以采用DFT计算软件，输入应力参数范围数值、材料结构和材料元素组分，输出应力-晶格常数对照表。DFT计算软件包括Quantum-Espresso 、CASTEP、Abinit、VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)等软件程序。
进一步，作为一种优选的方式，还包括修正方法，若计算得到的常压下晶格常数与已知的常压下实验得到的晶格常数不同，则修正，使得常压下计算得到的晶格常数和实验得到的晶格常数相同。
本实施例选用VASP软件计算，修改应力参数，将应力设置为-4.7GPa到4.4GPa之间的一系列数值，提交给VASP计算，以4H碳化硅硅晶格常数和残余应力对照表为例：
a 轴输出应力-晶格常数对照表
Figure 311993DEST_PATH_IMAGE004
c 轴输出应力-晶格常数对照表
Figure 188682DEST_PATH_IMAGE005
（二）通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ，参考图2，是4H碳化硅的摇摆曲线。
（三）其中，根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数的方法，包括：根据晶面间距计算公式和布拉格定律计算得到第二晶格常数计算公式为：
Figure 11145DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure 91227DEST_PATH_IMAGE007
； （2）
通过摇摆曲线计算角度θ，以公式（1）和（2）计算所述第二晶格常数，其中λ为光源波长，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数。对常见的铜靶实验室光源（λ(Kα1)= 1.5406nm）。
以具体晶面举例：对于c轴方向，对004晶面，根据六方晶系的晶面间距计算公式：
Figure 290127DEST_PATH_IMAGE008
（3）
对004晶面，h = k = 0，l = 4，带入公式（3），可得d= c/4。再根据布拉格定律：
2dsinθ=nλ（n=1, 2, 3, ... ） (4)
其中d为晶面间距，λ为X光波长，θ为入射光与晶面的夹角。可计算得知c = 4λ/(2sinθ) nm，此即存在晶格应变的晶体的第二晶格常数。
对于a轴方向，对100晶面，代入公式（3）：
Figure 959006DEST_PATH_IMAGE009
其中，a为a轴晶格常数，c为c轴晶格常数，h、k、l为晶面指数，h=1，k = 0，l = 0。再 根据布拉格定律，则可计算得知
Figure 14687DEST_PATH_IMAGE010
，再进行100晶面的摇摆曲线的测量， 通过摇摆曲线的衍射峰位角度θ，可计算出a的数值。此即存在晶格应变的晶体的第二晶格 常数。
（四）参照上述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。
实施例2：
基于上述一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，进一步公开一种碳化硅晶体的残余应力检测***，包括：
第一计算机处理单元，用于安装DFT计算软件，计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
第二计算机处理单元，获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
根据晶面间距计算公式和布拉格定律，以所述角度θ计算第二晶格常数；
第三计算机处理单元，参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值。
其中角度θ采用摇摆曲线测量装置生成，后输入第二计算机处理单元。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数；
参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值；
其中，根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数的方法，包括：根据晶面间距计算公式和布拉格定律计算得到第二晶格常数计算公式为：
Figure 817822DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 835456DEST_PATH_IMAGE002
； （2）
通过摇摆曲线计算角度θ，以公式（1）和（2）计算所述第二晶格常数，其中λ为光源波长，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数；
采用公式（3）计算所述晶面间距：
Figure 297399DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数，h、k、l为晶面指数。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，其特征在于，获取具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系的对照表的方法包括：
根据密度泛函理论计算不同应力下晶体的第一晶格常数，得到对照表。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，其特征在于，采用DFT计算软件计算第一晶格常数，输入应力参数范围数值、材料结构和材料元素组分，输出应力-晶格常数对照表。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，其特征在于，所述DFT计算软件包括CASTEP、Abinit和VASP软件。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法，其特征在于，所述计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表，还包括修正方法，
若计算得到的常压下晶格常数与已知的常压下实验得到的晶格常数不同，则修正，使得常压下计算得到的晶格常数和实验得到的晶格常数相同。
6.一种碳化硅晶体的残余应力检测***，其特征在于，包括：
第一计算机处理单元，用于安装DFT计算软件，计算具有不同应力下晶体的晶格常数对应关系，形成应力-晶格常数对照表；
第二计算机处理单元，获取角度θ，所述角度θ通过摇摆曲线测量，测得对应晶面衍射角，取衍射角峰位值为角度θ；
根据晶面间距计算公式和布拉格定律，以所述角度θ计算第二晶格常数；
第三计算机处理单元，参照所述应力-晶格常数对照表，以第二晶格常数获取对应的残余应力数值；
其中，根据晶面间距计算公式，以所述角度θ计算第二晶格常数的方法，包括：根据晶面间距计算公式和布拉格定律计算得到第二晶格常数计算公式为：
Figure 767695DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 841961DEST_PATH_IMAGE002
； （2）
通过摇摆曲线计算角度θ，以公式（1）和（2）计算所述第二晶格常数，其中λ为光源波长，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数；
采用公式（3）计算所述晶面间距：
Figure 681479DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，a为a轴的晶格常数，c为c轴的晶格常数，h、k、l为晶面指数。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行以实现如权利要求1～5中任意一项所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法。
8.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序使计算机执行时实现如权利要求1～5中任意一项所述的一种碳化硅晶体的残余应力检测方法。
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