橢圓偏振光譜技術(shù)及其對功能薄膜材料的性能表征.pdf

1、近幾十年來，隨著自動橢偏儀的發(fā)展和完善，橢偏光譜技術(shù)作為表征光學(xué)性質(zhì)和塊材以及薄膜分層結(jié)構(gòu)的一種非破壞性工具已經(jīng)逐漸地普及。與傳統(tǒng)的測試手段相比，它具有非破壞性、非苛刻性、高精度和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。通過橢偏測量，可以在很短的時間內(nèi)得到從近紫外到近紅外范圍內(nèi)的橢偏參數(shù)ψ和△隨波長變化的全譜。然后對ψ和△進(jìn)行解譜，可以得到諸如介電常數(shù)、光學(xué)常數(shù)、膜層厚度和復(fù)合膜中各個成分的組分等參數(shù)。逐漸成為測量超薄膜、超晶格、多層膜等各種薄膜材料的厚度和光

2、學(xué)常數(shù)的一種重要的技術(shù)手段。為了對橢偏光譜技術(shù)有一個全面的了解和研究，本論文主要從以下幾個方面展開工作： 首先，詳細(xì)闡述了國內(nèi)外橢偏儀以及橢偏技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和特點(diǎn)，并且介紹了它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。然后，從理論上研究了橢圓偏振光譜技術(shù)原理，詳細(xì)推導(dǎo)出環(huán)境媒質(zhì)-薄膜-基片系統(tǒng)所遵循的橢偏方程，然后研究了光度式橢偏儀的測量原理，進(jìn)而給出橢偏參數(shù)與光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系。在第三章介紹了兩種常用的橢圓偏振測量儀的硬件組成和測量的自動化改

3、進(jìn)，同時給出RAP-Ⅰ型橢偏光譜儀的工作原理。第四章介紹了橢偏數(shù)據(jù)解譜軟件的各個主要窗口及其功能，并對解譜時常用的算法和擬合模型進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，同時介紹了判別解譜結(jié)果精確度的重要指標(biāo)均方根誤差(RSME)。 最后在第五章中，分四個部分介紹了橢偏測量術(shù)的應(yīng)用。第一，橢偏測量術(shù)在超薄金屬薄膜中的應(yīng)用。用直流濺射法制備了五個厚度的超薄Ag膜，透射電鏡(TEM)圖像表明厚度低于30nm的薄膜樣品均為非連續(xù)的。通過對橢圓偏振光譜儀測

4、量數(shù)據(jù)進(jìn)行解譜得到五個樣品的厚度分別為4.0、6.2、12.5、26.2和30.0nm。從擬合結(jié)果中的消光系數(shù)k圖譜中發(fā)現(xiàn)，在Ag1到Ag4樣品中分別于477、539、590和689nm處出現(xiàn)了表面等離子體共振峰，而Ag5樣品沒有出現(xiàn)。分析認(rèn)為表面等離子體共振峰是由于入射的P偏振光與Ag納米粒子側(cè)面位置的電子等離子體激元偶合而產(chǎn)生的。同時在Ag1和Ag2樣品消光系數(shù)k圖譜的高能端288nm處出現(xiàn)了另一吸收峰，并對此進(jìn)行了分析。第二，橢偏

5、測量術(shù)在透明導(dǎo)電ITO薄膜中的應(yīng)用。用濺射法在Si片上制備了厚度為140.5nm的ITO薄膜，用橢偏儀對所制備的薄膜進(jìn)行了測量。分別用Drude+LorentzOscillator模型、有效介質(zhì)近似(EMA)和Graded(層進(jìn))模型對測量所得的橢偏參數(shù)ψ、△進(jìn)行了擬合，得到ITO薄膜的折射指數(shù)n的變化范圍在1.8～2.6之間，可見光范圍內(nèi)消光系數(shù)k很小，在350nm波長處開始明顯變化，隨著波長的減小k迅速增加。計算得到所制備ITO薄膜

6、的光學(xué)帶隙。并在1.5～4.5eV段給出一套較為可靠的、具有使用價值的光學(xué)參數(shù)數(shù)值。第三，ITO薄膜的透射譜解譜。用直流磁控濺射法在普通載波片上制備了厚度130nm左右的ITO薄膜，分別在100、200、300和400℃下退火1小時。測量了未退火和退火后幾個樣品的XRD和透射率，然后建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯讉€樣品的透射譜進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，未退火樣品為非晶結(jié)構(gòu)，退火后為多晶結(jié)構(gòu)；退火溫度在300℃以下的樣品，隨著退火溫度的升高其n和k值都有明

7、顯的降低，退火溫度為400℃的樣品n和k值卻反常增大，對其原因進(jìn)行了理論分析。并計算得到了直接帶隙在3.7～3.9eV之間。第四，用濺射法在載波片上制備了Ag體積分?jǐn)?shù)為0.3％的Ag-ITO復(fù)合薄膜。對復(fù)合薄膜的透射譜進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)與未摻Ag的ITO薄膜相比，Ag-ITO復(fù)合薄膜在整個300～800nm波段的n值都有大幅度升高；在可見、近紅外波段的k值變化不大，但在近紫外波段k值增加很大。由此可見，摻Ag對薄膜的光學(xué)行為有明顯的影響。