固體材料光譜學

關于固體材料光譜學第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月固體光譜簡介

透射和反射光譜橢圓偏振光譜

主要內(nèi)容第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜發(fā)展歷史人們對光譜的研究已有三百多年的歷史了。1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。這是可算是最早對光譜的研究。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月固體光譜學(SolidStateSpectroscopy)是關于光和凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用的一門學科。光譜是電磁輻射按照波長(能量)的有序排列，根據(jù)實驗條件的不同，各個輻射波長(能量)都具有各自的特征強度。

通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、弛豫時間、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。固體光譜學第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月透射光譜和反射光譜固體光譜學包括固體的吸收、反射、發(fā)光和透射光譜。不同材料對光都有不同程度的反射和透過，即使對同一種材料，對不同的波段的光，反射和透射特性也可能不相同。透射率T與入射光頻率ω之間的關系叫做透射光譜。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月反射透射示意圖反射系數(shù)：反射率：將電矢量分解為垂直入射面分量En和平行于入射面的分量Ep第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月透射光譜第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月反射光譜第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓偏振光譜基于材料對光的反射，發(fā)展起一些測量光學常數(shù)的方法，例如橢圓偏振光譜等。橢圓偏振光譜學(SpectroscopicEllipsometry)是一種以橢圓偏振光測量為基礎的光譜技術(shù)，簡稱橢偏光譜學，縮寫為SE。SE是通過光在樣品表面反射后相位和振幅的變化來表征薄膜的性能的，反射前后P，S波相位的變化用Δ表征，ψ則反映了波振幅的改變。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月偏振光的種類

光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象表明光是一種橫波，即電磁振動方向與光的傳播方向垂直。光作為電磁波，光波中含有電振動矢量E和磁振動矢量H，就光與物質(zhì)的相互作用而言，起主要作用的是電矢量，通常稱電矢量E為光矢量。并將光矢量和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光的振動面。根據(jù)光矢量的振動狀態(tài)，可以把光分為五種偏振態(tài):第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月五種偏振態(tài)第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢偏儀的發(fā)展1853年，英國物理學家Stokes發(fā)明了描述光偏振態(tài)的簡便表達式,誰知在以后的近100年里，他的這一研究成果竟被埋沒在文獻堆里而無人問津，直到1950年才重被人們發(fā)掘出來，并從此普遍應用。不過早期實驗上設計的橢偏儀多半采用消光方式，它的結(jié)構(gòu)簡單，已被沿用了上百年。在7O年代前，實驗上和工業(yè)界大都使用這種類型的橢偏儀，如半導體工廠用它來準確測定集成電路工藝中二氧化硅層的厚度。然而這種方式也存在著缺點，即在的光譜實驗中需要使用一個1／4波片，這限制了工作波長范圍，因此難以被用于材料學研究。此外，測量過程多半靠手動完成，比較費時。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢偏測量光路圖第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月自動橢圓偏振光譜儀光譜范圍:250nm-1700nm光譜分辨率:0.1nm光斑直徑:1mm-3mm入射角范圍:20°to80°第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月原理圖第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月由橢偏光度法得到的實驗測量是ψ和Δ,它們能夠顯示出樣品的光學和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。用下面的公式表示：第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月光在薄膜上的反射示例第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月體材(塊材)n，k的計算公式其中：n0=1:空氣折射率;φ0:角（弧度表示）第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜的n，k

測量出樣品的ψ和Δ后，選用在理論上適合的模型對ψ和Δ擬合，并按照相應的公式計算出薄膜的性能參數(shù)。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月模型分類1.洛侖茲振子模型

洛侖茲認為:物質(zhì)分子是由一定數(shù)量的重原子核和外圍電子構(gòu)成的復雜帶電系統(tǒng),固體的介電函數(shù)可以用一定數(shù)量的Lorentz振子的和近似表示,稱為簡諧振子近似.簡諧振子模型適合用于晶態(tài)半導體材料,當材料的特征不是很清楚的情況下,選用簡諧振子模型是比較好的選擇。2.Drude模型主要用于金屬自由電子氣、硅化物和半導體等材料中的載流子吸收等情況。3.柯西模型它適用于透明材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、ITO、KCl等.第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.

Sellmeier模型

非常適用于透明材料和吸收材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、KCl等,處于紅外波段的Ge、Si、GaAs;材料在透明波段的光學常數(shù)具有較高的精確度。5.

EMA(有效介質(zhì))模型有效介質(zhì)模型應用于兩種或兩種以上的不同組份合成的混合介質(zhì)體系,多達5種不同材料組成的混合材料、多晶膜、金屬膜、表面粗糙的膜、多孔膜、不同材料或合金的分界面、不完全起反應的混合材(TiSi、WSi)、無定形材料和玻璃。6.Graded模型

和EMA模型相似,適用于兩種材料的混合材料,但層內(nèi)不同深度的混合比是確定的。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月洛倫茲振子模型光與物質(zhì)的相互作用，也就是固體對光的響應可以看成阻尼振子體系在入射光作用下的受迫振蕩。一個諧振子的運動方程可以表示為：第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月復介電常數(shù)能夠用上面的公式表達，折射率和消光系數(shù)用下面的公式表示：第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗數(shù)據(jù)處理第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜

ψ和Δ的光譜第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月BLT薄膜擬合的參數(shù)值第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月BLT薄膜介電常數(shù)第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月BLT薄膜折射率和消光系數(shù)第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓偏振光譜的優(yōu)點1.測試過程對于被測試樣品損傷和破壞極小。2.測量精度高.橢偏光譜的工作原理雖然建立在經(jīng)典電磁波理論上,但實際上它有原子層級的靈敏度.對薄膜的測量準確度可以達到1nm,相當于單原子層的厚度.3.能同時分別測量出幾個物理量.橢偏光譜可直接得到光學常數(shù)的實部和虛部,不需要K-K關系.4.測量的速度很快.5.對被測樣品以及被測樣品所處的環(huán)境條件無特殊要求。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓偏振光譜的應用（1）固體薄膜光學性質(zhì)的測量應用橢偏術(shù)可對單層吸收膜、雙層膜及多層膜進行測量,得到材料的光學常數(shù)折射率N和吸收系數(shù)K,進而得到其介電常數(shù)。近年來也實現(xiàn)了對離子注入損傷分布的測量、超晶格、粗糙表面、界面的測量。（2）界面與表面的應用（3）電化學研究電極-電解液界面過程。（4）微電子領域第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月橢偏儀的發(fā)展趨勢

1.尋找較高強度的紅外光源,拓寬橢偏儀的光譜范圍,以準確確定異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多層膜結(jié)構(gòu);2.建立包含成像橢偏儀的校準因素的系統(tǒng)模型,以減小成像橢偏儀的測量誤差;3.對半導體工業(yè)常用薄膜材料建立準確的物理模型,以減小系統(tǒng)的計算誤差;4.引入能夠同步進行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的控制系統(tǒng),并利用優(yōu)化算法,較快得出薄膜系統(tǒng)待求參量,以提高橢偏儀的測量速度,增強橢偏儀的在線檢測和控制功能。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月參考文獻[1]Z.G.HuandP.Hess,Opticalconstantsandthermo-opticcoefficientsofnanocrystallinediamondfilmsat30–500°C,Appl.Phys.Lett.89,081906(2006)[2]Z.G.Hu,InfraredopticalpropertiesofBi3.25La0.75Ti3O12ferroelectricthinfilmsusingspectroscopicellipsometry,J.Phys.D:Appl.Phys.35(2002)3221–3224[3]Z.G.Hu,StructureandOpticalPropertiesofFerroelectricPbZr0.40Ti0.60O3FilmsGrownonLaNiO3-CoatedPlatinizedSiliconDeterminedbyInfraredSpectroscopicEllipsometry,J.Phys.Chem.C2008,112,9737–9743[4]余平,張晉敏橢偏儀的原理和應用JournalofHefeiUniversity(NaturalSciences)Feb.2007Vol.17No.1

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