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本论文分为两个部分，一是采用掠入射X射线全反射率(GIXRR)、椭偏测量法(SE)和光电子能谱法(XPS)三种实验方法研究了在Si单晶衬底上生长的SiO2超薄膜的物理结构。通过建立适当的结构模型，系统地探讨SiO2超薄膜的密度、厚度、表面及界面粗糙度等主要因素对GIXRR、SE和XPS实验结果的精度和准确性的影响规律；同时注意到在通常的测量条件下，水和有机物表面吸附的污染层是影响超薄膜测量精度的重要因素。总结GIXRR、SE和XPS的研究结果，提出了一种研究厚度小于10nm的超薄膜的物理结构(密度、厚度、表面及界面粗糙度)的精确方法。二是用X射线吸收精细结构(XAFS)和X射线衍射(XRD)方法研究了机械合金化方法制备的Fe-Cu不互溶合金体系的长程序和短程序结构随组成、球磨时间、退火温度产生的变化特点及其规律，提出了Fe和Cu二元金属在球磨过程中形成合金的微观机理。
一、Si单晶衬底生长的SiO2超薄膜(＜10nm)的物理结构1.GIXRR方法研究SiO2超薄膜的物理结构从理论和实验两个方面探讨了Si单晶衬底上生长的SiO2薄膜的物理结构影响其GIXR曲线特征的规律。结果表明，SiO2薄膜的密度、厚度、界面及表面粗糙度的变化分别影响着GIXRR震荡曲线的位相、频率、振幅以及曲线总体衰减的斜率：当SiO2薄膜的密度大于或小于Si衬底的密度时，其反射率曲线的震荡峰存在着二分之一周期的相位差；GIXRR曲线震荡峰的频率随着SiO2薄膜厚度的增加而变大，振幅随着薄膜界面粗糙度的变大而减小，曲线总体衰减的斜率随着薄膜表面粗糙度的变大而增大。同时注意到在通常的测量条件下，SiO2超薄膜会吸附空气中的水蒸汽及含碳化合物并在其表面形成以水分子为主的污染层。理论分析表明，薄膜表面污染层的存在会使GIXRR震荡曲线的频率增大。因此，对于暴露在大气环境中SiO2超薄膜，表面吸附的污染层将会对GIXRR实验曲线得到的薄膜厚度结果带来显著影响，而传统方法拟合GIXRR实验曲线时往往没有考虑这一因素，得到的薄膜厚度结果具有较大偏差，而且薄膜厚度越小，这一效果越显著。为此我们提出考虑薄膜表面污染层影响的新型的结构模型。对实际样品，比较了使用新型结构模型与使用传统模型所得的结果，发现新型结构模型可以显著提高SiO2超薄膜的厚度测量准确性。例如，对于制备厚度为2nm的SiO2超薄膜，采用新型结构模型得到的薄膜厚度为3.09nm，而采用传统模型得到的厚度结果为2.64nm，两者相差17％。同时新型结构模型还给出表面污染层的厚度为0.55nm。另外，使用新型模拟合了制备厚度为2，4，6，8和10nm的SiO2超薄膜的GIXRR实验曲线，得到的厚度结果分别为2.64，3.99，5.81，7.38和9.31nm。同时发现，对于不同厚度的SiO2超薄膜，其薄膜的密度，污染层厚度，表面和界面粗糙度几乎保持一致，分别为2.41-2.45cm3/g，0.55-0.67nm，0.40-0.45nm和0.26-0.31nm。
2.SE方法对SiO2超薄膜厚度的测量分析了在使用SE方法测量小于10nm的SiO2超薄膜的厚度时，薄膜的密度，表面及界面粗糙度等因素对其结果准确性的影响，采用不同的光学模型对厚度为6nm，密度为2.2g/cm3的理想SiO2薄膜理论曲线进行了拟合，得到了薄膜厚度的计算结果随所采取的薄膜密度变化的规律：选用更大的薄膜密度值进行拟合计算会得到更小的厚度结果，其趋势近似线性。薄膜密度为2.5g/cm3时所对应的薄膜厚度是5.67nm，与2.2g/cm3时的6.00nm相比，降低了5.5％。同样的，拟合得到的厚度结果也会随着所选薄膜表面和界面粗糙度的增加而线性变小，对于6nm的SiO2超薄膜，与光滑薄膜相比，0.6nm的表面和界面粗糙度分别使拟合得到的薄膜厚度减小了0.08nm(1.3％)和0.38nm(6.3％)。通过过以上分析以及参考GIXRR方法测量得到的薄膜物理结构的结果，给出了优化的拟合计算模型(密度为2.4g/cm3、表面粗糙度为0.4nm、界面粗糙度为0.3nm)，对于热氧化法制备的厚度小于10nm的SiO2超薄膜，使用此模型进行拟合计算，可以得到较为精确的厚度结果。采用优化的模型拟合了制备厚度为2，4，6，8和10nm的SiO2超薄膜的SE实验曲线，得到的厚度结果分别为2.61、4.07、6.02、7.41和9.43nm，与GIXRR计算得到的厚度相比较，分别有1.1％，2.0％，3.5％，0.4％和1.3％的差异。
3.XPS测量SiO2/Si超薄膜厚度结果的不确定性使用光电子能谱法测量得到了制备厚度为2，4，6，8和10nm的SiO2超薄膜的Si4+和Si0的2p光电子峰谱。分析了使用此方法计算SiO2薄膜厚度的误差来源及其大小。结果表明，厚度计算结果的误差主要来源于光电子在材料中的非弹性散射的平均自由程的不确定性，对于制备厚度为2nm的SiO2超薄膜，由其导致的误差高达20％左右。其它所有已经考虑到的因素引起的厚度计算值的误差之和不大于5％。
二、机械合金化Fe-Cu体系的结构和其合金化微观机理研究XRD结果表明：机械合金化生成的Fe100-xCux合金具有中程有序结构，其合金相的组成和结构由Cu的原子浓度决定，当x≥40时，Fe100-xCux为fcc结构；当x≤20时，Fe100-xCux为bcc结构；当20＜x＜40时，Fe100-xCux为fcc和bcc两种结构共存。EXAFS结果定量地表明：机械合金化方法形成的Fei00-xCux合金虽在x≥40时，Fe和Cu原子周围的配位环境虽都为fcc结构，但不是生成均匀的固溶体，存在Cu富集区和Fe富集区。
利用XRD和XAFS方法研究机械合金化Fe70Cu30二元金属合金随球磨时间的结构变化。XRD结果表明，球磨2小时后，部分金属Fe与Cu生成Fe-Cu合金；球磨20小时后，金属Fe与Cu已完全合金化生成Fe-Cu合金，并只在2θ=44°处出现一个宽化的弱衍射峰，认为是在球磨20小时后的Fe70Cu30合金中共存着fcc和bcc结构的Fe-Cu合金相。XAFS结果进一步表明，在球磨的初始阶段(2小时)，fcc结构的Cu颗粒的晶格产生较大的畸变，其无序度σ(σ=σT+σs)为0.0190nm。球磨5小时后，部分fcc结构的Cu原子进入了无序度相对较小的bcc结构的α-Fe相，导致Cu原子的平均无序度σ降为0.0108nm。球磨10小时后，样品中很大比例的Fe原子处于fcc结构的Fe-Cu合金相，其无序度为σ=0.0119nm；而大部分Cu原子依然保持fcc结构，无序度为σ=0.0110nm。我们认为是由于扩散到bcc结构α-Fe相的Cu原子超过某一浓度后(约30～40％)，Cu原子能诱导其产生fcc结构相变所致。球磨时间增加到20小时，样品中Cu原子和Fe原子在fcc和bcc相的比例与球磨10小时基本相同，生成的Fe-Cu合金混合相的组成和结构分别近似于bcc结构的Fe80Cu20和fcc结构的Fe60Cu40。
利用XAFS和XRD研究了机械合金化制备的亚稳态bcc结构Fe80Cu20合金固溶体的结构随退火温度的变化特点。结果表明，在300到873K温度范围内，随着退火温度的升高，bcc结构物相的晶格常数近于线性降低，这主要是由于Cu原子从bcc结构Fe80Cu20合金固溶体中逐渐偏析出来，生成fcc结构的Cu物相所致。经603K退火后，Cu原子的平均键长RCu-Cu增加了0.003nm左右，大约有50％的Cu原子从bcc结构的Fe80Cu20合金固溶体中偏析出来。在773K退火后，bcc结构Fe80Cu20合金固溶体近于完全相分离，生成了bcc结构的α-Fe与fcc结构的Cu物相。