也就是说椭偏分析强烈地依赖于拟合模型的选取。Ψmod、Δmod和Ψexp、Δexp分别是椭偏参数的拟合值和实测值。对薄膜的椭偏光谱进行拟合时，需要根据不同的材料特性，赋予每层薄膜合适的色散关系。建立合适的结构模型和色散关系对于光学常数的准确测量十分关键。......
2023-06-20
椭圆偏振仪的应用技术
【摘要】：利用椭偏技术可以获得使偏振态发生改变的材料的相关信息。最终拟合得到两层薄膜的折射率及厚度分别为：n1=1.942 1，d1=88.915；n2=2.299 3，d2=108.02，其中接近基底的为第一层。
椭偏技术从问世以来，无论在理论上还是在应用上人们都做了大量工作。特别是随着薄膜技术在信息存储材料、光学及空间技术等领域的广泛应用，薄膜光学常数的精确测定也显得越来越重要，而为具有诸多优点的椭偏技术打开了广阔的应用空间。椭偏技术不仅可以测定单层介质膜、吸收膜的复折射率和厚度，采用适当的程序和计算方法，也可以测定多层复介质膜、吸收膜的复折射率和厚度等光学参数。椭偏技术具有非接触性、高精度等特点，可以实时地监测各种薄膜的生长。椭偏技术可以测量材料的电光、磁光、压光、热光等多种物理效应。
1.椭圆偏振仪的主要应用领域
（1）测量薄膜膜厚及其光学常数，如折射率、消光系数、吸收系数、复介电函数、禁带宽度等。
（2）测定材料的多层结构和表面粗糙度。
（3）研究梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度，光学常数的梯度变化。
（4）测量镀碳磁盘的碳层厚度和光学常数以及润滑层的厚度和表面粗糙度。
（5）无损研究与气态、液态周围介质接触的表面分子或原子的物理、化学吸附。
（6）研究处于各种不同环境中的半导体及金属表面的氧化问题及其成分分析。
（7）现场研究电极-电解液界面过程，并可与其他常规电化学测量方法同步进行。
（8）研究血凝过程、薄膜抗原-抗体的免疫反应、电吸附免疫试验和细胞表面的材料测定等。
（9）研究固体的辐射探伤，表征介电材料和半导体材料制备过程中造成的表面机械损伤。
利用椭偏技术可以获得使偏振态发生改变的材料的相关信息。椭偏技术同其他测量分析技术相结合，可以获得更丰富的材料信息。材料科学方面，在对量子阱和超晶格材料、高温超导材料、铁电材料等多种功能材料的研究中，都可发现椭偏技术应用的踪迹；椭偏技术的实时测量将在复杂材料的研究和开发中发挥重要作用。CCD图像技术同椭偏技术相结合，使我们可以监测到薄膜生长中原子的堆积过程。
2.椭圆偏振仪的应用
以多层膜光学常数的测量为例，介绍椭圆偏振仪的应用。样品为层数及材料未知的多层膜。首先建立物理模型，如图2-10所示。基底材料为玻璃，牌号未知。
（1）基底光学常数的确定。相对于单层膜而言，在多层薄膜的椭偏分析中，拟合的参数较多，这样会使结果的不确定性大为增加。因此，为得到理想的拟合结果，有必要赋予拟合过程尽可能多的信息。一般基底的光学常数容易确定，为此将其中一面抛光，用椭偏仪测量出其椭偏参数Ψ和Δ，并进行光学常数拟合，得到的结果如图2-11所示，其中虚线为实测值，实线为模型拟合值。可以看出，椭偏参数的测试与拟合结果得到了良好的吻合。图2-12是拟合得到的基底光学常数，基底的折射率为1.520 7±0.003。
图2-11 实测及拟合的基底椭偏参数
（a）模型拟合及实测的Ψ曲线 （b）模型拟合及实测的Δ曲线
图2-12 基底的折射率和消光系数
（2）多层膜光学常数的确定。在薄膜的参数拟合时，直接采用了前面拟合的基底结果，以减少未知变量的数目。由于是未知薄膜，首先假定其为单层膜，根据这一物理结构，拟合得到的结果如图2-13所示。可以看出，拟合与实测值偏差很大，趋势也不相同，在400～650 nm范围内，两者比较吻合，而在紫外及红外区，拟合与测试相差很大，如在波长1 650 nm处，Ψ和Δ的拟合与实测值分别达到了18°和60°的偏差。这可能是由于色散关系不正确，也可能是物理结构不合理造成的。通过反复尝试色散关系以及薄膜的厚度、折射率初值，始终无法得到理想的结果，由此断定该未知薄膜不是单层结构。
图2-13 单层薄膜模型的拟合结果
（a）模型拟合及实测的Ψ曲线 （b）模型拟合及实测的Δ曲线
为进一步了解薄膜的结构，采用了双层结构的模型进行拟合，测试的椭偏参数与拟合结果趋势略微接近，全光谱范围内MSE降到了17.98。最终拟合得到两层薄膜的折射率及厚度分别为：n1=1.942 1，d1=88.915；n2=2.299 3，d2=108.02，其中接近基底的为第一层。但此时仍不能认定样品为双层薄膜结构，因为并不能确定这是最优的拟合结果。为此，采用了三层结构模型，得到的拟合结果如图2-14所示，除在紫外区拟合偏差略大外，其他区域椭偏参数Ψ和Δ的拟合值与测试值几乎完全重合，MSE降到了3.005，于是猜测该模型结构反映了薄膜的真实情况。
图2-14 三层薄膜模型的拟合结构
（a）模型拟合及实测的Ψ曲线 （b）模型拟合及实测的Δ曲线
图2-15是根据三层物理结构拟合得到各层薄膜的光学常数，其中第1层接近基底，第2层为中间层，第3层接近空气。样片表面薄膜的结构为：1.52／2.031 2（203.0 nm）1.463 6（170.1 nm）2.079 1（170.4 nm）／1.0，其中括号内为光学厚度。
图2-15 拟合得到的多层薄膜的折射率
通过上述计算与分析，直观上可以看出，采用3层薄膜的结构较好地反映出样片的真实情况。当然因为是拟合所得的值，所以结果的准确性要依赖于测试人员和制样人员的共同判断，这也正是该仪器的主要局限性。
有关纳米材料与结构测试方法的文章
- 详细阅读
- 详细阅读
-
椭圆偏振仪基本原理解析详细阅读
下面以单层膜为例，描述椭偏仪的基本原理。椭偏仪的发展过程经历了消光法和光度法，两者的原理略有不同。根据这一原理检测反射线偏振光的方位，根据检偏器的方位得到值。图2-8消光法椭偏仪测试系统基本光路原理图图2-9光度式椭偏法测试装置光谱式椭偏法又称为椭圆偏振光谱法，使用有反射式补偿器或适当的膜层系统补偿器，也可以通过连续改变波长的方法来实现。......
2023-06-20
-
纳米压痕仪的结构分析详细阅读
图6-19为一个商品化的纳米压痕仪及其工作原理。目前，各种商业应用的纳米压痕仪原理基本相同，它们的差别主要表现在力的加载方式和位移的测量方式上。图6-19压痕仪的结构及内部结构根据前面的介绍，目前的纳米压痕仪的工作模式有两种：普通模式和连续刚性测量模式。压头在纳米压痕仪中是一个重要的部件，测试时需要选择合适的压头。是纳米压痕试验另一个常用的压头。球形压头的初始接触应力小，仅产生弹性变形。......
2023-06-20
-
现场总线及应用技术-现场总线及其应用技术详细阅读
基金会现场总线，是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25 kbit/s，通信距离可达1900 m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2总线标准也已形成。......
2023-11-22
-
台阶仪的构造和工作原理详细阅读
台阶仪的构造和工作原理如图2-3所示。台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器，它主要由触针、触针驱动装置和位置记录装置构成。图2-3台阶仪的构造和原理图触针是接触式台阶仪的关键部件，一般为针状的金刚石或宝石。由于接触式台阶仪是通过触针扫描来测量表面形貌信息的，所以触针的形状、尺寸和测量力对测量结果的影响较大。台阶仪测量过程如下。......
2023-06-20
-
CRC校验及应用技术详细阅读
CRC码检错能力强，实现容易，是目前应用最广泛的校验方法之一，CRC校验基本工作原理如图2-14所示。图2-14 CRC校验基本工作原理2）将fxk除以生成多项式G，得式中，R为余数多项式。......
2023-11-22
-
全站仪基本构造与操作详细阅读
表1-1 国产全站仪性能指标3）全站仪的基本构造。直接测出水平角、竖直角及斜距离是全站仪的基本功能。分别用于精度要求较高的测点上或一般的测点上，反射镜均可水平转动与俯仰转动，以使镜面对准全站仪的视线方向。国产第二代全站仪的构造特点1）同轴望远镜。和电子经纬仪的竖盘指标自动补偿原理相同。全站仪的键盘为测量时的操作指令和数据输入的部件，键盘上的键分为硬键和软件键两种。根据《全站型电子速测仪检定规程》（JJG 10......
2023-08-27
相关推荐