基于椭圆偏振法的超薄贵金属薄膜折射率的测量文献综述
2020-04-15 16:54:05
| 1、测量金属薄膜的折射率的目的和意义 1.1 目的及意义 金属薄膜材料是利用蒸发法、溅射法或者化学气相沉积法，在基底或体材料的表面沉积或制备的与体材料性质存在差异的物理层。尤其是薄膜厚度降低到纳米级别，会在电磁、光学等方面出现一些崭新的现象。纳米级金属薄膜是实现微电子器件和系统微型化的有效技术手段，还能与不同的材料复合在一起，形成性能优异的复杂材料体系。由于这些优点纳米金属薄膜被广泛应用在各个领域。比如金属耐磨材料，集成电路领域，光存储领域和磁性存储领域。纳米薄膜受本身厚度的影响较大，这就要求对纳米级金属薄膜的厚度和光学常数有准确的测量。尤其是当纳米薄膜的厚度低于30nm，光学常数与体材料相比会发生突变，了解变化的趋势有助于更好理解金属的微观介电性能。 在纳米金属薄膜的研究中大部分工作都集中于性质接近于体材料的薄膜，对于超薄纳米薄膜的研究尚未深入。实验的难点集中于理想薄膜的制备和精确的测量方法。常用的镀膜手段有热蒸发、磁控溅射和化学气相沉积，磁控溅射相较于其他的方法来说制备的薄膜具有更小的表面粗糙度和更准确的厚度。常用的光学常数测量方法有透射反射法、表面等离子体共振测量法和椭圆偏振法。其中透射反射法金属薄膜测量精度较低且实验平台复杂，表面等离子体共振法在30nm以下难以激发表面等离子体波，椭偏法测量速度快、精度高，非常适合超薄纳米薄膜的光学常数测量。所以研究的主要目的和意义在于利用椭圆偏振法测量由磁控溅射镀膜机制备的超薄纳米金属薄膜的光学常数，通过实验结果分析讨论光学常数与厚度的关系。 1.2 国内外发展概况 测量薄膜的折射率和厚度有方法有很多，比如椭圆偏振法、棱镜耦合法和干涉法。棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光，确定波导膜耦合角，从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。准波导法只要求角度测量，所以方便且精度高。此方法要求样品的折射率必须大于衬底的折射率，这使得一些折射率低的样品不能采用此方法。国内有人利用棱镜耦合法进行厚度和折射率测量的实验但未见形成商品。在国外，美国的JKLMCI公司从70年代开始研制和生产棱镜耦合测量仪，并在90年代实现了测量过程的自动化。但由于棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限，膜厚度一般大于300纳米。而我们实验需要测得膜一般小于30纳米，故棱镜耦合法不适用于本实验。干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射率的。干涉法可以分为激光干涉法和白光干涉法，测量的厚度可以达到10nm，干涉法不但可以测量透明膜，弱吸收膜和非透明膜，而且适用于双折射薄膜。缺点是不能同时获得薄膜的厚度和折射率，而且容易磨损膜表面。有人对干涉法进行改进，使其能同时测定厚度和折射率，但不容易实现。由于这种方法会对膜造成损坏。故本次实验不使用此方法。椭圆偏振法是利用一束入射光照射样品表面，通过检测和分析入射光和发射光的偏振状态，从而获得薄膜厚度及其折射率的非接触测量方法。椭圆偏振法是目前在测量薄膜的光学参数上使用最广泛的一种方法。该方法是一种无损测量方法，对薄膜的测量准确度可达到10埃。高精度椭偏仪设备复杂，价格昂贵，实验数据的处理过程复杂冗长，测量结果与操作者的经验和操作水平有很大关系。目前，国外的椭偏仪已商品化和小型化，自动化程度高，既可以实现快速的在线测量，也有光谱型的椭偏仪。典型的产品有美国J.A.Woollam公司的VASE系列。在国内70年代末和80年代有TP-77型椭偏仪出售。也有大学进行过椭偏光谱仪器研制和试产，但能形成批量生产的只有杭州光仪厂的WZJ型手动椭偏仪、华南师范大学生产的型智能椭偏仪和复旦大学的自动椭偏光谱仪。椭偏法精度高，不会破坏珍贵的超薄贵金属薄膜。还同时测得厚度与折射率，十分利于研究折射率与厚度的关系。与本次实验目的十分契合。而且实验室有现成的椭偏仪，无需搭建光路即可直接测量。 对于薄膜折射率的测量，国内有很多学者做过用椭圆偏振法测固体薄膜的光学常数的实验。但他们只是分析其测量原理，探究其可行性，分析其产生误差的原因。而我们要用这种方法来测出折射率，然后与其厚度进行拟合，分析两者关系。 |
2. 研究的基本内容与方案
{title}2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 研究内容和目标
本次设计主要的目标是利用椭偏仪测出不同厚度的超薄贵金属薄膜的折射率，分析厚度与折射率的关系。了解其变化趋势。实验内容分为三个部分，第一是制备实验所需贵金属薄膜材料。第二步是测量所制备的金属薄膜材料的厚度和折射率。并分析薄膜越薄，其折射率如何变化。第三步是根据所得的结果分析并猜想折射率与薄膜厚度的关系。并分析其薄膜折射率的原因。
2.2 技术方案及措施
薄膜制备：金属纳米材料的制备方法主要有LB膜法、自组装成膜和气相积法。而气相沉积又分为化学和物理两种方法。本次实验使用磁控溅射法制备金属薄膜。其原理是将带电离子在电场中加速后被引向欲被溅射的靶电极。入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶溅射出原子并射向衬底，沉积成薄膜。实验预期使用SiO2或者Si基底，在3×10-4Pa气压和氩气环境下通过控制沉积速率来制备表面粗糙度更小的薄膜。
实验测量：由于银的氧化速度过快，所以要在薄膜制备完成的5分钟内完成薄膜的测量。椭偏仪采用J.A. Woollam的T-solar椭偏仪，光谱范围为400-1700nm，取三个入射角度，测量不同厚度的纳米薄膜。
结果分析：椭偏仪测量的结果是光强和相位变化，需要利用理论模型来分析实验结果，得到更好的拟合度。测量多组厚度的光学常数，研究光学常数随厚度的变化趋势，并对实验中的误差做出分析。3. 参考文献
| 4、参考文献
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