使用二种方法测量透明薄膜的折射率123文档格式.docx
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光学性能
Usetwokindsofmethodtocalculatetherefractive
indexoftransparent
XuHao
(DepartmentofPhysicsandElectronics,ChaoHuCollege,AnHuiChaoHu238000)
Abstract:
Tomeasurethefilm'
sthicknessandrefractiveindexwithsimpleellipticpolarizationinstrumentthroughtraditionalextinctionmethodformeasuringtheellipticpartialparametersandthroughtheuseofthechangeofellipse'
spolarizedlightandlineofpolarizedlightreflexbyrefractingofFresnelformula.Makingamaterialcomputerdrawingprogramforcalculatedeaser,andanalyzingthebugsofexistinginstruments,andimprovethemethodtomeasurethefilm'
sthickness.Fortransparentconductivefilm,measureitsprojectilespectrumbyspectrophotometer.Byfittingtransparentconductivefilmintherefractiveindex,whichisanearinfraredregionalapproximateannealingtreatmentfor1.90,andtheresultsareanalyzedanddiscussed,andthendiscusstheinflueneetotheopticalbandgapofdiversifiedmetaladulterationaccordingthedataofexperimentation.
Keyword:
ellipticallypolarizedlight;
Fresnelformulaupvibratorinspectionvibratortransmissionspectrum;
opticalproperty
引言:
当前一些薄膜被广泛地应用于各技术领域中。
因此,精确地测量薄膜各项参数是一种重要的物理测量技术。
其中,椭圆偏振法这种测量方法,是通过光波反射时偏振状态变化进行的;
它能测很薄的膜厚(可达20A以下),测量精度很高(理论上误差可小于±
0A),测量的薄膜的折射率也很精确,在各种已有的测膜厚方法中,它是测量精度最高的一种。
本论文在对椭圆偏振测量的基本原理进行了简单介绍和推导后,具体实验得出数据结论并加以分析拟合。
透射光谱法方法具有测试简单、操作方便、测试范围广及精度高等诸多优点。
然而制约该方法应用的瓶颈仍然是很难根据所测的光学量来直接求解薄膜的参数和令人头疼的解的多值性问题。
本论文就透射光谱法测量薄膜的参数进行了
系统地研究。
用极其简单的形式给出了经电磁理论严格推导出来的透射率公式,该公式包含了影响透射光谱的大部分薄膜和基底的参数。
一椭偏法测薄膜折射率
对于厚度在纳米级(约为10-9米)的薄膜,其折射率和厚度的精确测量。
椭偏法有着很高的精确度(比一般的干涉法高一至二个数量级)和灵敏度,它的误差范围低于纳米级。
但是因为数学上的困难,直到上个世纪五六十年代计算机出现以后椭偏法才真正发展起来。
除了测量薄膜的厚度和折射率,椭偏法广泛应用于各个领域,如测定金属的复折射率和材料的吸收系数等光学上的应用,以及在半导体,化学,生物和医学等。
(一)原理
基本原理是让一束椭圆偏振光以一定的入射角入射到薄膜系统的表面,经反射后,反射光束的偏振状态(振幅和相位)会发生变化,而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关,因此只要能测量出偏振状态的变化量,就能测定出薄膜的厚度和折射率。
介质Hi
茁膜112
衬®
111
图1:
各向同性薄膜系统的光反射和折射示意图
如图1表示衬底n3上覆盖有厚度d的均匀透明各向同性的薄膜系统。
一束波长为入的单色光,以入射角如入射到薄膜界面分解为反射和透射两个部分,透射部分再与另一个界面相遇,又被分解为反射和透射两个部分,这样总的反射光应该是由薄膜系统的两个界面多次反射和折射的光束0,1,2,•的叠加而成。
设血为薄膜中的折射角,由为衬底的折射角,介质薄膜和衬底的折射率分别为ni、n2和陽。
设ri,r2,为光束从空
气到界面、从薄膜到界面的反射光振幅和入射光振幅的比,称为菲涅耳反射比;
由菲涅耳公式可知光束从薄膜向介质反射时的菲涅耳反射比为-ri0
设入射光为椭圆偏振光,其电矢量可分解为两个相互垂直的电矢量分量。
定义在入
射面之内与光束垂直的电矢量为P分量,垂直于入射面并与光束垂直的电矢量为S分
量。
这样入射光束在分界面上所发生的反射和折射现象均可借助与分析这两个特定方向的线偏振光来进行。
这时,在交界面的P、S分量的菲涅耳反射比为
np=n2cos帀-ticos@/n2COS帀+nicos(2(1.1)
ris=nicos(1-i2cos2/nicos(1+n2cos2(1.2)
wp=n3cos(2-12COS3/n3cos(2+n2cos3(1.3)
r2s=n2cos<
2ncos3/n2cos(2+n3cos3(1.4)
由图1得,膜上反射的两相邻光束的相位差
S=42cos<
2nd入(1.5)
(Ep)r;
设(Ep)i和(Es)i分别为入射波的P分量和S分量的振幅,(Ep)r和(Es)r分别表示总的反射波中P分量和S分量的振幅。
定义该薄膜系统的总反射比为
(1.6)
(Es)r
(Es)i
(1.7)
由光束干涉的理论得
(1.8)
(1.9)
APap.expGi、)Rp=
1apr2p.exp(_i、)
rs+r2sexp(-i§
)Rs=
1r1sr2s.exp^h)
其中相位3由(1.5)决定,在入射角确定的情况下,它依赖于薄膜do
在椭圆偏振光的测量中,通常采用椭圆参数屮和△来描述反射光的偏振状态的变化故得到:
RP=tanWexp(iA)=
{[r1p+r2p.exo(—i&
)].[1+r1sr2S.ex3(—迈)]}n<
d.)(110)
=f(n1,n2,n3,<
d,入)(1.10)
{[ns林七初-h)].[1水印上初-L)]}
此式称为椭圆偏振方程。
它表示了反射光偏振状态的变化(W,A)与薄膜d、入射光波长A、入射角©
及折射率n1,n2,n3之间的关系。
所用仪器是让波长单一的单色光经起偏器后变为线偏振光,使之通过1/4泊勺波片
同时让快轴与线偏振光的偏振方向呈45度,以获得椭圆偏振光,在镀膜的样品上发生
反射后再经检偏器观察投射到探测器上的光强。
这样在不断调整起偏器和检偏器的方向可得消光,至此利用一系列的公式可得厚度和折射率。
(仪器如图2)
(二)实验步骤:
1、调整光路,并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光
(1)安装半导体激光器并调整分光计,使半导体激光器光束、平行光管的中心轴、
望远镜筒的中心的轴同轴。
(2)标定检偏器透光轴的零刻度,并使检偏器的透光轴零刻度垂直于分光计主轴。
(3)将检偏器(检偏器的透光为0。
方向)套在望远镜筒上,90。
读数朝上,将黑色反光镜置于载物台中央,使激光束按布儒斯特角(约57°
)入射到反光镜表面。
(4)将1/4波片框的打孔点向上,套在内刻度圈上,此时内刻度圈的示数应对应0°
。
然后微微转动1/4波片,使白屏的光达到最黑暗后固定1/4波片。
(5)置1/4波片快轴于内刻度圈的示数+45°
或-45°
,此时无论起偏器转动在任何位置,出射的光均为等幅椭圆偏振光。
2、测量样品的折射率和厚度
(1)选择测试样品的最佳入射角
由多次实验结果和理论证明,当入射角为70°
左右时,实验结果最准确。
方法是将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角70°
,并使反射光
在观察窗口白屏上形成以亮点。
(2)测量和记录数据
先置1/4波片快轴于+45°
,仔细调节检偏器方位角B和起偏器方位角©
,使光电探头的电流最小,记下B值©
值。
这样可以得到两组消光位置数据,再置1/4波片快轴于-45°
仔细调节检偏器和起偏器,使光电探头的电流最小,可得另两组数据,代入公式。
计算出(W)
3、计算样品的折射率和厚度的数据处理方法
利用上述推导的公式f1(n1d”=Re(tanWexp(i和)2(n1d”=lm(tanWexp(i由这2个式子组成的方程组,我们只要找出(W△既可算出对应的折射率和厚度。
表1椭偏法实验数据
A
24.420
38.218
33.111
17.521
76.160
86.011
P
88.920
175.075
94.563
9.911
91.703
19.467
数表给出值
n
1.44
1.43
1.45
1.46
1.47
d/nm
55.72
191.05
81.82
248.60
132.20
144.88
实验计
算值
1.4550
1.4600
1.4700
1.4500
55.704
190.995
81.754
248.545
132.231
144.830
椭圆偏振法这种测量方法,它的测量精度很高。
在各种已有的测薄膜折射率和厚度方法中,它是能测薄膜最薄和测量精度最高的一种。
但由于长期存在着数学处理上的困难与局限性,只有依靠电子计算机的发展和应用才使椭圆偏振法获得了生命力。
二透射光谱法测薄膜折射率
对于透明导电薄膜上述方法有所局限可以利用分光光度记测量了其透射光谱,采用Sellmeir色散关系拟合透明导电薄膜的折射率和厚度。
(下面我们以ZnO薄膜为例)
(一)实验
本文中采用的样品是利用射频磁控溅射方法制备的ZnO薄膜,ZnO作为溅射靶,
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