（凝聚态物理专业论文）红外椭圆偏振光谱系统的研究及其应用.pdf

红外椭圆偏振光谱系统的研究及其应用 论文题目：红外椭圆偏振光谱系统的研究及其应用 堑堡系( 所)筮鍪查堑垄专业 亟i 一届硕士研究生睦垂皇指导教师睦趁趋垫撞 摘要 f 硕士研究生期间主要工作集中在红外椭偏学的领域包括系统的开发和提 高数据精度的努力其后，继续对适合此波段的金属和合金样品及窄禁带半导 体的光学性质进行研究：本文( 作为对该阶段研究工作的汇报，捌分以下几部分。 忏以介绍。， 。 椭偏光谱学是一种利用线偏振光经样品反射后转变为椭圆偏振光这一性质 以获得样品的光学常数的光谱测量方法，本工作中，采用了两次傅立叶变换， 成功的将这一方法运用于红外光谱测量体系统具有速度快，灵敏度高，自洽 定标与绝对测量的特点，该光谱仪做到了光机电一体化集成，通过图形化人机 交互界面方便直接的获得各种光学常数，论文第一部分中，将对该光谱仪器的 研制做系统介绍。 椭偏光谱学在可见光乃至紫外光区已经获得了成功应用，如美国w o l l o m 等 公司已有各种商业产品销售但对于光源弱，信噪比差，功能器件效率较低的 红外光谱区，椭偏光谱学仍是一个研究课题第二部分分析了实验中红外各种 噪声与误差来源，并讨论解决这些问题的几种尝试与方案。 在各类金属硅化物中，铁硅化合物因其丰富的结构和相应的相变过程引起 人们的广泛关注对其的研究在物理原理和半导体工业应用中都有重要意义 在本文的第三部分，利用近红外和可见区的椭偏光谱设备对铁硅化合物的研究 中，发现对金属相，半导体相和过渡相都测出明显的特征介电函数谱线 第四部分是对金属与合金，尤其是贵金属样品a u 和a g 的光学性质与电子 结构的研究附于金属，带边以下为近自由电子区，一般可用d r u d e 模型描述。 实验中，直接拟合获取了等离子共振频率、电子有效质量及光学弛豫时间等 d r u d e 参量发现介电函数实部与虚部不一致的现象，进一步展开了对频率相 关的弛豫时间的研究r r 。 最后，在附录中给出详细的双重傅立叶分析红外椭偏仪的数据控制与接口 关键资料，并提供用户软件文档。 + 结合研究生期间系统研制与数据测量的经验， 给出此实验系统的使用手册与注意事项。， 关键词：椭偏光谱学，红外光谱学，固体光学，窄禁带半导体，德鲁得模型。 分类号：0 4 3 3 1 ，0 4 3 4 3 ，0 4 3 82 ，0 4 8 2 3 竺竺苎璺堡堡垄壁墨垫竺竺查垒苎生旦 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o fi n f r a r e ds p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y d e p a r t m e n t 丑幽 a u t h o r c h e n y u e - l i m a j o r c o n d e n s e d m ，a t t e r t u t o re k n l i a 嵋= y 数 a b s t r a c t n l er e s e a r c ho fg r a d u a t ey e a ri sf o c u s e do nt h ef i e l do fi n f r a r e ds p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a ls y s t e m a n dt h ee f f o r tt o i m p r o v e t h eq u a l i t yo f m e a s u r e dd a t a a f t e r w a r d ，t h es t u d yo f t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f m e t a la n d a l l o y a n dt h a to fn a r r o w - b a n d s e m i c o n d u c t o r ，a l l r e l a t e dt h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ei n f r a r e ds p e c t r o e l l i p s o m e t e r t a k i n gt h i st h e s i sa sar e p o r to f m yg r a d u a t ew o r k ，i dl i k et og o o ni nt h ef o l l o w i n gb r a n c h e s e l l i p s o m e t e r y i sam e t h o dt h a tu t i l i z e st h e p r o p e r t y o f s l i g h te l l i p t i c a l p o l a r i z a t i o no fr e f l e c t i n gl i g h t u s i n gp o l a r i z e r st og e te l l i p t i c a lp a r a m e t e r sa n d t h e n t h eo p t i c a lc o n s t a n t s t or e a l i z et h i sm e t h o di nt h ei n f r a r e ds p e c t r u m t w of o u d e r t r a n s f o r m a t i o n sa r ep e r f o r m e di 1 1 t h i sw o r kt o s e t u pa ni n f r a r e de l l i p s o m e t e r t h e s y s t e mh a sag o o dm e a s u e m e n ts p e e d ，h i g hs e n s i t i v i t y t h em e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n d o p t i c a lp a r t si si n t e g r a t e dt o au n i f o r ms y s t e mb yg o o di n t e r f a c eo fc o m p u t e r n 佗 d e t a i l sw i l ib ed e l i v e r e di nt h ef i r s tp a r to f t h i st h e s i s t h ee l l i p s o m e t r yh a sb e e ns u c c e s f u l l yu s e di nv i s i b l ea n du v r e g i o n s f o ra n d i n s t a n c e ，m a n yc o m p a n i e sa sw o l l o m h a sp u s hf o r w a r dt h e i rm e r c a n t i l ep r o d u c tt o t h em a r k e t b u ta sf o rt h el o wi n t e n s i t ya n dh i g hn o i s ei n f r a r e dl i g h ta n dt h el e s s e f f e c t i v ei n f r a r e dd e v i c e s t h ee l l i p s o m e t r yi ni n f r a r e ds p e c t r u mi ss t i l lar e s e a r c h t o p i c i nt h es e c o n dp a r t ，t h eo r i g i no fi n f r a r e dn o i s e sa r ep r e s e n t e da n d t h em e t h o d s t oo v e r c o m et h e ma r es u g g e s t e d i r o ns i l i c a t ei n c u r r e di n t e n s ei n t e r e s t sb e c a u s ei th a sv e r yr i c hs t r u c t u r e sa n d p h a s e s m e a n i n ge x i s ti nb o t ht h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i n t h et h i r dp a r t i ti sf o u n dt h a tt h ee l l i p s o m e t r i cm e a s u r e m e n ti sv e r ys e n s i t i v et ot h e p h a s ec h a n g e s w i t hs p e c i f i cp r o f i l e st od i f f e r e n tp h a s e s t h ef o u r t hp a r ti sa b o u tm e t a la n da l l o y ，e s p t h en o b l em a t a l sa st h eo p t i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ee l e c t r i cs t r u c t u r eo f a ua n da g i nt h eb e l o wb a n do fn o b l em e t a l ， t h es p e c t r u mc a nw e l lb ee x p l a i n e db yd r u d em o d e l i nt h ea p p e n d i x ，t h et e c h n i q u ed e t a i l sa b o u ti n f r a r e de l l i p o s o m e t e rs u c ha sd a t a i n t e r f a c ea n do t h e rk e ym a t e r i a lw i l lb ep r e s e n tf o rr e f e r e n c ea n da l s ot h eu s e r sm e n u w i t hn o t i f j c a t j o n s k e y w o r d s ：e l l i p o s o m e t r y ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，s o l i do p t i c s ，n a r r o wb a n ds e m i c o n d u c t o r ，d r u d em o d e l 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 1 引言 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 采用光学方法可以对许多固体材料的宏观和微观物理性质进行深入研究， 其中，最直接的方法就是测量各种固体材料的光学常数随光子能量或波长的变 化关系，从而与微观机理相联系，来认识和理解光与物质相互作用的本质实 际上，表观光学常数是固体材料内部微观电子态结构及其各种微观物理过程， 如晶格和等离子振动、带内和带间的电子态跃迁、激子行为和各种散射机制在 不同物理条件下的反映通过这种研究，不仅能对许多固体材料在各种光学波 段所具有的特性作出解释，而且能使材料所表现出来的各种光学性质在许多领 域获得重要应用因此，在凝聚态光学性质研究领域，已发展出多种方法用于 光学常数的准确测量 在椭圆偏振技术( b “i p s o m e t r y ) 发展起来之前，早期光学常数的测量通常 是在一定光谱范围内测量正入射样品的反射率，然后由x k 关系分析获得材料 的复折射率、复介电函数等光学常数在d r u d e 和s t u t t 提出物理的测量原 理之后，经过人们的不懈努力，这一方法得到了不断的完善“3 t ”】椭偏光谱 学是一种利用线偏振光经样品反射后转变为椭圆偏振光这一性质以获得样品的 光学常数的光谱测量方法，它区别于一般的反射透射光谱的最主要特点在于不 直接测算光强，而是从相位空问寻找材料的光学信息，这一特点使这种测量具 有极高的灵敏度椭偏光谱仪有多种结构，如消光式、光度式等，消光式椭偏 仪通过旋转起偏器和检偏器，对莱一样品，在一定的起偏和检偏角条件下，系 统输出光强可为零由消光位置的起偏和检偏器的方位角，就可以求得椭偏参 数然而，这种方法在具有较大背景噪声的红外波段难于实现光度式椭偏仪 引入了对光强随起偏或检偏角变化作傅立叶分析的方法，并可通过计算机对测 量过程进行控制，目前，光度型椭偏仪除本文介绍的同步旋转检偏、起偏器( r a p ) 型外，主要还有旋转检偏器( r a e ) 和相调制( p m e ) 等方式实现【2 】这种类型椭偏 仪不仅已在可见光谱区获得成功应用“，而且也适宜于红外光谱区的测量”“ 在比较和总结前人工作的基础上，实验室已研制成功可见光区入射角可变和 波长扫描的r a p 型椭偏仪p 】，实验数据表明，该系统具有较高的数据测量精度 和可靠性本工作中，结合以往的研究成果，较好地解决了近红外区的椭偏技 术难题，实验中采用了对光子能量和偏振角作双重傅立叶变换，以及同步旋转 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 检偏和起偏器( r a p ) 的设计方法，有效提高了红外椭偏数据的信噪比质量并 且不需测量红外光电流的直流信号成分，根据经傅立叶分析获得的四个余弦交 流信号分量，即可自洽地获得红外椭偏参数，计算出相应的光学常数。经过对 实验系统各种误差来源作仔细分析和纠正，提高了实验精度，使误差控制在l x 以内 实验系统具有如下优点：采用反射式测量，可直接测量非透明样品的各种 光学常数，速度快，1 0 分钟可获得2 1 0 0 - 1 0 0 0 0 c m 1 波段完整的光学常数：样品 属无损检测；采用r a p 方式，因此，可免去测量直流分量带来的问题，并且可 通过自洽性对数据误差进行检验；全部实验过程由计算机自动控制，直接获取 原始数据，然后运算求得各种光学参数 2 实验原理 2 1 椭圆偏振光学测量的基本原理 一束偏振光入射到各向同性样品表面上时，其p 光与s 光的反射系数分别为 茹= 0 p 话一，弓= p 万， ( 1 1 ) 两式相除可得 其中 芦：善：p o e i a ( 1 2 ) 凡2 t a n 妒2 号，占，“， ( 1 s ) 少，a 为椭偏参数 通过椭偏参数即可求得复介电函数孑= 占l + i 8 2 享= s i n2 + s i n2 中t a n 2 垂“1 一声) “1 + 万) ) 2 ( 1 4 ) 椭偏测量技术即通过实验荻得椭偏参数，然后进一步求得各种光学参数 2 2 偏振器方位角空间傅立叶分析 图1 1 是椭偏原理图，光源首先通过方位角与入射面垂直的固定偏振器 2 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 p 。，然后通过起偏器p ，经样品反射后，到达检偏器 ，最后进入探测器其 中，起偏器和检偏器方位角p 、 保持1 ：2 的比例关系同步旋转这种方式称 之为r a p 型( s y n c h r o n o u sr o t a t i o no f a n a li z e l a n dp o l a r i z e r ) 从该布局 的椭偏仪检偏器出射的偏振光的电场矢量可表达为： e ，= t - 。，【 一c o 。；s 。a a 。s 。i n 。a a 。 【 r 。, ；2 ：；- 。s i 。n ，p ：。0 j l - c 。；o 。s p p - 。s i 。n ，p j i l l 。l j e 。 = 伍，c o s a c o s2 p 十j i ps i n a c o s p s i n p ) e o ( 1 5 相应出射光强为： ，i 目1 2 = d c 。s 2 爿c o s p + p o z s i n 2 a s i n z 2 p + j 1 岛c 。s s i n 2 彳s i n 2 p c 。s 2 p ) 其中，p 和 分别为起偏和检偏器的方位角，保持l ：2 的关系同步旋转，即 a = 2 p = 国，风= t a n u ，叩是与光强相关的常数整理后，光强可表达为方 位角a 的余弦分频形式 ，= ，o + ，lc o s ( a ) + ，2c o s ( 2 a ) + ，3c o s ( 3 a ) + ，c o s ( 4 a ) ( 1 7 ) 其中i o 为直流成分， i j = ，7 ( 3 + p o c o s a ) = 叩 风”、 ( 1 8 ) 厶= 叩( 1 一岛c o s ) ” ：7 7 ( 1 + p 0 2 2 p o c o s a ) 4 ( 1 8 ) 式有三个未知数四个方程，故可用两种独立的方式算出p 。，c o s & 两种 计算结果的符合程度即自洽度，直接表明实验系统的可靠程度 胪 黼r c o s 扯丽焉等等而 ( 1 9 ) 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 + 1 2 ) 2 1 ：) r ( 1 10 ) 图1 1r a p 型的椭圆偏振光学系统布局原理图其中，旋转起偏器与捡偏器的 方位角按1 ：2 的比例同步旋转 对r a e 方式，起偏器固定为方位角p ，只旋转检偏器，光强表达式可写为： i = k o + k lc o s ( 2 a ) + k 2s i n ( 2 a ) ( 1 1 1 ) 其中： k o = 玎【c o s 2 p + 风2s i n 2 | p ) k 2 = 叩( c o s 2p - p 0 2 s i n 2p )( 1 1 2 ) k 3 = t p os i n 2 p c o s a 三个方程有三个未知数，也可以求出椭偏参数p 。，c o s a r k e 型比r a p 型少一个同步旋转偏振器，实验设备相对简单；而r a p 型的 设计避免了光强直流分量的测量，从而直接消除背景光和暗电流等较大直流本 底误差。自洽度检验也是r a p 方式的先进特点，在没有测量数据绝对标准的情 况下，工作中提高数据精度的改进正是以实验结果的自洽度作为依据例r a p 4 羰 r。，l ， = ，o j 窖 f c 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 方式的以上特点不仅为材料光谱线形的定性研究提供了较高精度的数据，而且 特别适用于需要光学常数绝对数值的定量测量的研究应用领域 2 3 光子能量空间傅立叶分析 红外光源亮度低、稳定性差，红外探测器效率也较低，这些困难使红外光 谱仪难以通过单色仪分光然后波长扫描的方法实现本实验系统的光源是利用 迈克尔逊干涉的原理产生的如图1 2 所示，光源通过分束器( b e a m s p it t e r ) 变 为两束，分别经过固定平面镜和运动平面镜反射后产生一定光程差万r 的干涉 光，在能量空间作傅立叶变换，即可得到光强按波数的分布 i ( 1 旯) = ii ( 6 r ) c o s ( 2 刀万r 旯) d 6 r ( 1 13 ) o u t p u t h i t e n s i t y m i c h e l s o r ti n t e r f e r o l e t e r e 图1 2 作为红外傅立叶光谱发生装置的迈克尔逊干涉仪布局图，激光控制动镜，输出实 验所需的红外傅立叶光源 两次傅立叶变换分别在两个独立的变换空间进行而不会互相干扰，通过在 第一章近红外捕偏光学测量系统的研制 偏振器转动的每一个方位角位置( p ，a ：) 测得一组按波数分布的光强数据 ( 1 o ) ；，由计算机对每个波教位置光强随偏振器方位角的周期变化作傅立叶 分析，便能在全部测量波段快速求得每个渡数点的各分频系数厶寸厶： i k ( 1 ) = i 2 r 【，( 万r ) c o s ( 2 砸r a ) d 毋】c 。s ( d ) 女= l ，2 ，3 ，4 ( 1 1 4 ) 再通过( 1 8 ) 和( 1 4 ) 两式即可得出复介电函数( 1 仃) ，并进一步求得 其它各种光学常数 3 1 实验系统构成 图i 3 为双重傅立叶分析红外椭偏仪仪器系统示意图一个15 w 的卤素钨 灯通过迈克尔逊干涉仪产生红外傅立叶光源即( i r f s ) ，光束直径约s 哪起 偏器和检偏器是采用m g f ：晶体制作的洛匈偏振棱镜，工作波段为0 1 8 7u m ， 它们的同步旋转由两个步进马达控制，经过细致调节，旋转一周中偏振器出射 光束偏心率小于0 0 1 度样品控制转台和探测臂控制转台也由两个高精步进马 达控制，保证入射角在3 0 9 0o 范围内最小分辨率0 0 1 o 连续可调h e n e 激光 器用来调节光路准直和样品对光 实验系统的运行由一台p e n t i u m2 0 0 全自动控制，集成数据的采集、通 讯、处理与输出各项功能系统置于光学隔震平台之上 6 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 图1 3 红外双重傅立叶分析椭圆偏振光谱系统 1 起偏器；2 检偏器；3 步进电机；4 探测臂转台；5 样品转台； 6 样品架；7 反射镜 3 2 系统定标 对光路系统进行校准测量，采用h e - n e 激光器准直光路，探测臂在v = 1 8 0 。 位置时，激光通过入射光臂和探测臂的光阑射到约两米处的十字准星，保证各 光阑在一条水平直线上为确定偏振器方位角，将探测臂转到v = 1 8 0 0 ，光路不 经过样品反射，直接通过旋转起偏器和检偏器，起偏与检偏器垂直时消光，平 行时光强极大，利用计算机等辅助工具，调整偏振器方向，通过测量光强信号 将偏振器初始方位角校准为垂直方向图1 4 为起偏器保持垂直方向，单转检 偏器时光强随检偏方位角变化的波形图，图1 5 为r a p 方式测量a u 样品得到波 数6 5 0 0 c m l 处光强随检偏器方住角变化的波形图 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 言 看 l 雪 a n a l y z e ra z i m u t h a la n g l e ( d c 曲 图1 46 5 0 0 c m 。波数处检偏器性能曲线图，基本为检偏器方位角的余弦函数 a n a l v z e ra z i m u t h a la n g l e ( d e r ) 图1 56 5 0 0 c m - 1 波数处 u 样品的随检偏器方位角变化的波形图 此时样品信息已加在波形曲线之中 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 3 3 实验数据 作为对实验系统的测试，对透明的半导体材料的介电函数及红外高反射的 金样品的反射率进行了测量从图1 6 ( a ) 中明显看到样品与衬底层间干涉一 起的光学振荡图i 6 ( b ) 中测量范围内金的反射率达到9 5 j i 以上 w 利en u m b e r ( c 晰。) 透明半导体样品的介电函数曲线图中可明显看到层间干涉一 起的光学振荡 9 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 图1 6( b ) 金样品的正入射反射率曲线 4 总结与展望 在国家高科技蓬勃发展并且面向产业化的背景下，充分利用了最新与最先 进的技术，我们改装的红外傅立叶投射谱仪；采用高精细分步进马达及驱动设 备；并结合实验室的基础与特点，包括多年在可见光谱区从事椭偏光谱学研究 的经验和条件，以及的实验室人力和技术资源此项科研工作的目的旨在建立 一个有自主核心技术含量、能在科研和工业界获得应用的高科技光谱测量系统 为此，必需做到光机电与软件的系统集成此项目的完成是工作组内集体劳动 的结果 系统研制过程中首先要完成机械系统的设计与搭建，保证其各部分的准直， 达到精度要求。然后是电子线路与各电子设备的安装，配备与驱动。在光路系 统中，除了细致调节与定标以外，改装使用透射式傅立叶光谱设备的光源及其 探测器，也是红外椭偏系统研发中的一个重要环节，其中重点在于细致解决数 据的硬件及软件的接口的各种技术问题在我们的系统中，按照光、机，电的 一体化设计通过一台奔腾2 0 0p c 电脑将全部的数据采集、通讯、控制，接口、 1 0 ou口guu岛ug 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 运算、存储及作图和部分的定标工作集成于统一的图形用户界面之中对此， 相应软件，核心技术文档及用户使用手册将在附录中作具体的介绍 红外傅立叶光源的运用为红外光谱学发展提供了新的发展空间此外，还 可以提高各种红外器件，如探测器、偏振器等的性能来提高实验系统数据质量 椭偏与红外光谱在我国的研究还处在发展阶段，成熟的红外光谱仪将在国防， 工业界及固体物理、分子化学、生物医药、材料科学与薄膜生长等科研领域获 得广泛的运用我国的第三代同步辐射工程即将在上海张江高科技园投入建设， 这同时也为我国的红外光谱研究提供了极好的条件 在国际领域，已经在9 2 年和9 7 年召开了两届椭偏国际学术会议【“”1 在椭偏这一技术继续深入发展运用于新领域的同时，相信通过自身的努力，我 国能够在这一个高科技领域占有一席之地 第一章近红外椭偏光学测量系统的研制 参考文献 1 】k v e d a m ，s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ：ah i s t o r i c a lo v e r v i e w 劢折s o l i df i l m s 1 9 9 8 ，3 1 3 3 1 4 ( 1 2 ) ：1 - 9 【2 】d ea s p n e s ，a a s t u d n a ，h i g hp r e c i s i o ns c a n n i n ge l l i p s o m e t e r a p p l o p t 1 9 7 5 1 4 ( 1 ) ：2 2 0 2 2 8 【3 a c a n i l l a s ，e p a s c u a la n dbd r e v i l l o n ，p h a s e m o d u l a t e de l l i p s o m e t e ru s i n ga f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t e rf o rr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s r e v & ti n s t r u m 1 9 9 3 ，6 4 ( 8 ) ：2 1 5 3 - 2 1 5 9 f 4 jg 。e j e l l i s o r t , j r ，o p t i c a lm a t e r i a l s ，o p t i c a lf u n c t i o n so fg a a s g a p , a n dg e d e t e r m i n e d b y t w o c h a n n e l p o l a r i z a t i o n m o d u l a t i o n e l l i p s o m e t r y 1 9 9 2 ，l ( 3 ) ： 1 5 l 1 6 0 【5 】l y c h e n ，x wf e n g ，ys ue ta 1 ，d e s i g no fas c a n n i n ge l l i p s o m t e rb y s y n c h r o n o u s r o t a t i o no f t h e p o l a r i z e r a n d a n a l y z e r a p p l o p t ，1 9 9 4 ，3 3 ( 7 ) ：1 2 9 9 6 】d ea s p n e s ，f o u r i e r t r a n s f o r md e t e c t i o n s y s t e m f o r r o t a t i n g a n a l y z e r e l l i p s o m e t e r s o p t c o m m u n ，1 9 7 3 ，8 ( 3 ) ：2 2 2 - 2 2 5 7 】a r o s e l e r ，i rs p e c t r o s o c p i ce l l i p s o m e t r y ：i n s t r u m e n t a t i o na n dr e s u l t t h i ns o l m f i l m s ，1 9 9 3 ，2 3 4 0 2 ) ：3 0 7 - 3 1 3 【8 】b d r 垂v i l l o n ，s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r yi nt h ei n f r a r e dr a n g e t h i ns o l i d 朋m 5 1 9 9 8 ，3 1 3 3 1 4 ( 1 2 ) ：6 2 5 - 6 3 0 【9 】r o s s i k o v s k i ，n b l a y o ，bd r d v i t l o n ，m f i r o n ，e ta 1 ，d e t e r m i n a t i o no ft h e c o m p o s i t i o na n dt h i c k n e s so fb o r o p h o s p h o s i l i c a t eg l a s sf i l m sb yi n f r a r e de l l i p s o m e t r y a p p lp h y sl e t ，1 9 9 4 ，6 5 ( 1 0 ) ：1 2 3 6 - 1 2 3 8 1o 】a b r u n e t - b r u n e a u ，g v u y e ，j m f r i g e r i o ，e ta 1 ，i n f r a r e de l l i p s o m e t r y i n v e s t i g a t i o no fs i o ，n ，t h i nf i l m so ns i l i c o n a p p lo p t ，19 9 6 ，3 5 ( 2 5 ) ：4 9 9 8 - 5 0 0 4 【1i t h ef i r s t i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y p a r i s ，t h m s o l i d f i l m s ，1 9 9 3 ，2 3 4 ( 1 - 2 ) 【12 】t h es e c o n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y t h i ns o l m f i l m s ，1 9 9 8 ，3 1 3 3 1 4 ( 1 2 ) 2 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 l 引言 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 红外光谱区在物理、医学、生物和农业等跨学科的众多领域中有广泛的应 用t l , ：，”在固体学领域，可以对金属、绝缘体、半导体、超导体、超晶格等各 类体材料和薄膜材料的光学性质进行深入的研究，4 0 0 0 4 0 0 c m 。1 的波段更是s i 化合物和一些碳氢化合物等的“指纹”区段“1 在生物化学方面，大量物质的 基成单元如气体分子的振动和转动光谱，都在红外远红外波段。通过对这些光 谱的测量和分析，可以了解各种形态物质的组份、结构和性质，同时探求微观 的物理现象，化学反应和生物过程红外光谱学在各种交叉和边缘学科的研究 十分活跃，进展很快 虽然近年来在红外区的椭偏光谱学研究不断有新进展，但仍存在许多问题 有待解决在低能量的红外光谱区，红外探测器探测效率低、噪声较大，有些 波段探测器响应速度也较慢，因此影了响系统测量灵敏度；红外偏振器等光学 关键器件的研制方面，也存在不少困难；另一个主要困难就是不易获得高亮度 和高稳定度的红外光源一般实验室采用的红外光源主要是能斯特灯、硅碳棒、 高压汞灯等，它们的有效使用功率低，仅在微瓦级为数不多的红外激光器只 有分立谱线，能量不均匀强度较弱的红外光源直接影响到测量数据的信噪比 质量“】具有高亮度、高稳定的连续谱同步辐射红外光源的出现，将使这一情 况开始改变【6 】我国的第二代同步辐射光源( 合肥) 和即将建立的第三代同步辐 射光源( 上海) 都将实施红外光束线站的建设作为同步辐射红外光源的一个实 际应用的例子，可开展红外椭偏光谱学研究，其特点是可以在宽广的红外光谱 区直接测量到各种红外信息功能材料光学常数谱，如介电函数的实部和虚部 近几年里，有不同的小组开展了红外椭偏的研究，在这个研究领域的成熟产品 出现以前，实验室阶段仍有大量工作要做。例如，实验中发现，精确的系统定 标对实验数据的精度有很大影响在本章中，全面介绍针对红外的特点和难点 而采取的几个尝试和解决方法从而把实验室光谱测量能力扩大到近红外区。 伴随同步辐射红外光源的应用，今后将进一步把它推广到中远红外区。 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 2 红外噪声与傅立叶光源 与可见光比较，通常的红外光的强度与稳定度都很低，多种红外器件在材 料和制备上也存在制约，而红外探测器制作成本高，但探测效率却较低，实际 上，目前仍有很多小组在从事红外探测器的研究。这些情况造成红外探测信号 的信噪比( s n r ) 远低于在可见光工作的探测器因此，提高s n r 是提高红外 数据质量的重要途径 本实验系统对尼高力公司红外透射谱仪( n i c o l e t4 6 0 ) 进行了改装，目的 就是利用其优良的傅立叶光源( 图1 2 ) 。本实验设计的优点首先是探测器一 次测量的是全部波段的光强，因此，由于不采用传统的分光法，而集中了全部 的能量结果提高了数据信噪比；另外，这种方法从波长转到相位空间，通过 多次测量，起到平均的效果，而抑制了噪声 实验中，将探测器从n i c o l e t4 6 0 红外透射谱仪箱体中取出，再将傅立叶 光源引出，将光束导入椭偏反射系统，最后仍由原探测器接收。图2 1 是探测 器获得的全光谱光强曲线 o 号 d 一 备 晶 口 昱 a w a v en u m b e r ( c m l ) 图2 1 软件控制数据采集一次获得全部光谱范围的光强曲线 1 4 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 驴大气干扰与r a p 与自恰度检验 从图2 1 中可以看到在波数为4 0 0 0 c m 、5 3 0 0c m 。1 及7 2 0 0c m 。等处有较 大的噪声，来源是水与二氧化碳的分子吸收由于气体分子振动的能量落在红 外光谱区的莱些波段，除非在真空中测量，这种信号干扰将不可避免如果用 通常的测量反射或透射率的方法，则获得的光学常数将在这些分子吸收区受到 很大影响，以至于不能分辨为此，采用了同步旋转起偏器和检偏器的方法， 让光束先通过一个固定起偏器成为方向固定的线偏振光，再经过转动起偏器后 到达样品，反射光已经成为加载样品光学信息的椭团偏振光，然后通过与起偏 器方位角保持2 ：1 的比例关系的检偏器检偏，最后进入探测器( 参阅第一章r a p 原理部分) ，这种方法从偏振器方位角空间获得样品光学信息，从而避免了通过 光强的直接测量来获取光学参数从下述实验过程可以看出本设计的实验效果 如果光路不经过样品反射而直接通过检偏器和起偏器，且方位角按p ：a = 2 ：i 旋转的一个光学系统，可以通过光学矩阵求得其光场响应曲线的形式，即 f = e 0 c o s p x c o s ( a 一尸) = c o s 2 p = 睾( 1 + c o s a ) ( 2 1 ) z 其中 为检偏器方位角于是光强可表示为： ，r ，2 等( 1 + c o s 一) 22 詈( 3 + 4 c o s a + c o s 2 a ) 2 q x ( 厶+ 印。s a + 1 2 c o s 2 a ) ( 2 2 ) 可见，一阶分频i 。与i ：将满足4 ：l 的比例关系实验结果如图2 2 所示。虽 然大气影响在各阶分频曲线中仍然可以明显的看到，但i l i ，的结果中已经没有 水与二氧化碳的吸收峰由式1 9 可知，r a p 的原理在计算中只需要了解各分 频系数i i i 。的相对强度，即由这种比例关系就可以求出最终所需的椭偏参数。 所以在这种光路设计布局下，大气中的分子吸收干扰将不会对实验数据有太大 的影响 另一方面，由于椭偏参数计算中没有用到直流分量i 。，所以大气中热噪声 等各种红外背景光和红外探测器暗电流等都只影响分频的直流分量，而不干扰 最终的光谱数据结果 因此，通过r a p 的测量原理，成功地克服了影响红外数据的大气因素而 且，在红外缺乏标准数据的情况下，r a p 原理的自洽度检验成为判断数据质量 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 的一个重要依据实验中，是以下式计算自洽度s 。其中a ；是波数点，n 为全 光谱测量点数1 2 与1 2 分别为1 9 与i 1 0 两套算式求出的介电函数 s = 去喜t 揲揣+ 羔揣，s ， 40 0 h 一 3 9 5 3 9 0 一厂一 the r e s u l to fi , 1 2 _ ：- j、1 2 一 j 一：； j ： o 一i ： ： j ；p 厂飞二 州 、 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 w a v en u m b e r ( c m 一1 1 图2 2 由于大气干扰造成的按偏振器方位角展开的分频系数曲线中出现分子 吸收峰，但在各个分频系数相除时，这些峰消失 1 6 伽 伽 骞 伽 。 一no夸lsll等口h 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 4 偏振器性能与修正模型 从图1 4 中可看到检偏器0 。与1 8 0 。处光强极大值不相等，其原因是偏振器 在转动过程中存在轻微的不均匀性，这导致附加信号加入光强的傅立叶分频 ，。l 中，从而将误差带入光学参数中图2 4 对于可见光区，系统不均匀性的 影响一般很小，场强随检偏器方位角变化方程为标准的余弦关系， e = g o c o s a ( 2 4 ) 考虑偏振器高阶响应，将场强随检偏器方位角变化方程改写为 e = e oc o s a ( 1 + 8 0 + 6 lc o s 4 ) = e o c o s a ( 1 + 8 c o s a ) ( 2 5 ) 其中氏只改变( 1 8 ) 式中r 的值，而不会影响到风，c o s a ，故可不必考虑 上式修正依据有二首先，对任何形式的偏振器响应，场强变化可写为傅立叶 展开形式 疋= e oc o s 4 ( ! + 8 0 + 一c o s , + 以c o s 2 , + 也c o s 3 a + ) ( 2 6 ) 略去二阶小量，得到光强 ，。= i oc o s2 一+ 2 + ( 民+ 万l c o sa + 万2c o s2 4 + b 3c o s3 a + ) 】( 2 7 ) 以上式对实验数据拟合，见图1 4 ，发现民以上的高阶项很小，而直流修正项 占。不影响实验结果，故用( 2 5 ) 式基本反映了偏振器的响应函数特性其次， 在( 1 1 6 ) 式成立时，有 i 。= l e 。1 2 = i o c o s 2 a ( i + 2 8 c o s a ) = 叩( 1 + c o s 2 爿+ 3 艿c o s 爿+ 艿c o s 3 爿) ( 2 8 ) 即若模型成立，三倍频与倍频系数关系为 实验测出三倍频与倍频系数，证实了1 ： 关系获得修正参数艿如图2 3 所示 1 ：3 ，与二倍频系数关系为万：1 。 3 的关系，同时由三倍与二倍频系数 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 8 6 4 2 0 6 5 暑4 h 、 _ 3 2 w a v en u m b e rf c m l l ( a ) w a v en u m b e r ( c m 。1 1 8 ( b ) 一js扫_口3茸 第二章红外椭偏学误差来源与数据分析 w a v en u m b e r ( c m 。1 ( c ) 图3( ) 以检偏器方位角展开的傅立叶分频系数。和i3 ( )，( c ) 实验获得的修正参数万 从万的线形可以看出偏振器在长波方向高阶响应较大，这从 样品的测量 结果也得到证实，图 为样品介电常数实部与虚部分别在修正前与修正后 的实验数据，可以看到修正后数据重合度大为改观经过修正，按( ) 式计 算的数据自洽度有很大提高，由修正前的 7 x 提高到6 5 。 第二章红外椭偏学误差来源与数