毕业设计-sio2与tio2光学薄膜的制备及其椭偏测量

哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）SIO2与TIO2光学薄膜的制备及其椭偏测量学生姓名指导教师专业班级印刷工程2班学号学院轻工学院二一五年六月一日毕业设计（论文）任务书姓名学院轻工学院班级2班专业印刷工程毕业设计（论文）题目SIO2与TIO2光学薄膜的制备及其椭偏测量立题目的和意义随着薄膜技术在信息存储、电子元器件、航天技术以及光学仪器等方面的越来越广泛的应用,光学薄膜的光学参数折射率N、吸光系数K和薄膜厚度D的准确测量逐渐成为薄膜研究的重要方向。本文采用椭圆偏振测量的方法测量光学薄膜的性能，主要是因为椭圆偏振仪测量过程中具有非接触、非破坏性、测量精度高等优点。在光学薄膜中，性能比较优异的薄膜是SIO2、TIO2光学薄膜，它们具有非常高的化学稳定性和机械强度性能。因此，本文选择这两种薄膜，通过溶胶凝胶、浸渍提拉法来制备薄膜，然后用椭圆偏振法测量这两种光学薄膜的参数性能。技术要求与工作计划1完成与毕业论文题目相关的文献综述一篇，不少于5000字。2完成外文文献翻译一篇，不少于3000字。3完成开题报告一份。4按照计划，根据确定的实验方案开展实验，内容充实。5采用正确的实验方法，要求技术操作熟练，数据真实可靠，确定最佳制备方法和测量方法。6数据处理要科学，分析要有理论和实际依据。7毕业设计论文撰写要符合撰写规范，论文条理清晰，文字简洁。8按要求完成论文。时间安排3月2日3月20日根据论文题目调研实习，查找相关文献资料。3月21日4月10日查找阅读文献资料，并完成外文翻译、论文综述、实习日记、实习报告和开题报告。4月11日5月25日应用椭圆偏振仪对不同的光学薄膜进行椭圆偏振测量，将得到的实验数据用计算机进行处理并拟合出实验数据图谱，对所得图谱进行分析，记录所得的数据与结论。5月26日6月10日通过前期实验所得数据和结论完成论文初稿，整改论文，并完成答辩幻灯片，准备进行论文答辩。指导教师要求（签字）年月日教研室主任意见（签字）年月日院长意见（签字）年月日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语指导教师签字年月日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语评阅人签字年月日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语四、毕业设计（论文）成绩专业答辩组负责人签字年月日五、答辩委员会主任单位（签章）答辩委员会主任职称答辩委员会主任签字年月日摘要随着薄膜技术在信息存储、电子元器件、航天技术以及光学仪器等方面的越来越广泛的应用,薄膜光学参数折射率N、吸光系数K和薄膜厚度D的准确测量逐渐成为薄膜研究的重要方向。在本文中，选择性能比较优异的SIO2、TIO2光学薄膜为研究对象，它们具有非常高的化学稳定性和机械强度性能，通过溶胶凝胶法，用硅酸乙酯、钛酸丁酯分别配制成SIO2、TIO2薄膜。然后用SC630全自动椭圆偏振光谱仪测量这两种光学薄膜的参数性能。通过分析得出控制测量角度，使得测量所得的薄膜的折射率和吸光系数更加精确；调节提拉速度和溶液的溶度来控制薄膜的厚度。用上述方法制备薄膜，简单容易，所需要的设备少，同时耗资也少。用椭圆偏振法测量薄膜的参数性能，操作简单，快捷方便。关键词光学薄膜；薄膜制备；椭圆偏振仪；椭偏测量ABSTRACTWITHTHETHINFILMTECHNOLOGYINTHEINFORMATIONSTORAGE,ELECTRONICCOMPONENTS,AEROSPACETECHNOLOGYANDOTHERASPECTSOFOPTICALINSTRUMENTSMOREWIDELYUSED,ACCURATEMEASUREMENTOFTHINFILMOPTICALPARAMETERSREFRACTIVEINDEXN,EXTINCTIONCOEFFICIENTKANDTHEFILMTHICKNESSDOFBECOMINGFILMSTHEIMPORTANTDIRECTIONINTHISPAPER,PERFORMANCEISCHOSENEXCELLENTSIO2,TIO2OPTICALTHINFILMASTHERESEARCHOBJECTTHEYHAVEVERYHIGHCHEMICALSTABILITYANDMECHANICALSTRENGTHPROPERTIES,BYSOLGELMETHOD,USINGTITANIUMBUTYRATEANDETHYLSILICATEWEREPREPAREDSIO2,TIO2THINFILMSTHEN,THEPARAMETERSOFTHETWOOPTICALTHINFILMSWEREMEASUREDBYSC630AUTOMATICELLIPTICALPOLARIZATIONSPECTROMETERTHROUGHTHEANALYSISOFTHECONTROLANGLEMEASUREMENT,THEMEASUREDFILMREFRACTIVEINDEXANDABSORPTIONCOEFFICIENTMOREACCURATEADJUSTTHESOLUBILITYOFTHEPULLINGSPEEDANDSOLUTIONTOCONTROLTHEFILMTHICKNESSTHEPREPARATIONOFTHINFILMSBYTHEABOVEMETHODISSIMPLEANDEASY,ANDTHEEQUIPMENTISLESS,ANDITALSOCOSTSLESSTHEPARAMETERSOFTHEFILMWEREMEASUREDBYELLIPSOMETRY,ANDTHEOPERATIONWASSIMPLEANDEASYKEYWORDSOPTICALTHINFILMSFILMSPREPARATIONELLIPTICALPOLARIZATIONMETERELLIPSOMETRY目录摘要IABSTRACTII1绪论111光学薄膜的概述112光学薄膜的发展现状2121光学薄膜在国外的发展现状2122光学薄膜在国内的发展现状213光学薄膜的特点及性能2131光学薄膜的特点2132光学薄膜的性能214光学薄膜的椭偏测量3141椭圆偏振原理3142椭圆偏振仪概述4143椭圆偏振仪系统结构及其优点和特点5144椭圆偏振的发展现状6145椭圆偏振仪的应用715研究的主要内容82实验设计1021实验药品和仪器1022SIO2与TIO2光学薄膜的制备10221SIO2光学薄膜的制备10221TIO2光学薄膜的制备1123SIO2与TIO2光学薄膜的椭偏测量12231SC630全自动椭圆偏振光谱仪的操作12232SIO2与TIO2光学薄膜的参数测量143结果与讨论1531SIO2光学薄膜的测量数据的处理15311实验数据处理15312实验数据分析1532TIO2光学薄膜的测量数据的处理21321实验数据处理21322实验数据分析21结论29参考文献30致谢32附录331绪论光学薄膜，一种由薄的分层介质构成的，能够通过界面传播光束的一类光学介质材料，也是非常重要的光学元件。它的应用始于20世纪30年代，现已被广泛的应用于光学、光学工程和光电子技术领域，制造各种光学仪器。在光的传输、调制，光谱和能量的分割与合成以及在光与其他能态的转换过程中起着不可替代的作用。光学薄膜包括减反射膜、高反射膜、能量分光膜、光谱分光膜等。其中，光谱分光膜是指将入射光中一部分光谱的能量透射，另一部分光谱的能量反射。利用它能够将一束光分成不同颜色的多束光。这种颜色分光膜被广泛应用于彩色印刷。随着薄膜技术在信息存储、电子元器件、航天技术以及光学仪器等方面的越来越广泛的应用,光学薄膜的光学参数折射率N、吸光系数K和薄膜厚度D的准确测量逐渐成为薄膜研究的重要方向。通常，测量薄膜光学参数的方法有很多，如干涉测量法、X射线法、光谱扫描法和椭圆偏振测量法等。其中，椭圆偏振测量法除了能够测量薄膜的厚度、折射率和吸光系数外，还能测量多层膜中的各层膜层的厚度和光学常数，具有非接触、不破坏和高灵敏度、高精度的优点，在现代薄膜测量中应用非常广泛。11光学薄膜的概述薄膜，一种用塑料、胶粘剂、橡胶或其他材料制成的薄而软的透明薄片。用聚酯薄膜科学的知识可以解释为由原子、分子或离子沉积在基片表面形成的二维材料，例如我们常见的光学薄膜、复合薄膜、超导薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等等。薄膜材料是指其厚度介于单原子到几毫米间的薄金属或有机物层。电子半导体功能器件和光学薄膜是薄膜技术的主要应用，同时薄膜也被广泛用于电子电器，机械，印刷等行业。本文将主要围绕光学薄膜作阐述。光学薄膜是一种在光在传播路径过程中，附着在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层，可以通过分层介质膜层时的反射、透射、折射和偏振等特性，从而达到人们想要的在某一个或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或是光的偏振分离等各特殊形态的光。同时，光学薄膜技术已成为现代光学中不可缺少的一个重要组成部分，没有光学薄膜，许多现代光学装置便无法发挥效能，从而失去作用。随着科学技术的不断进步与发展，现已广泛应用于工业、印刷、医疗、电器、航天、国防等多个领域。光学薄膜的应用主要包括成像光学系统应用和非成像光学系统应用两个方面，主要实现光谱选择、光能量增强及色差均衡等1。12光学薄膜的发展现状121光学薄膜在国外的发展现状早在17世纪，薄膜的光学现象就被人们所注意。之后，罗伯特波义尔和罗伯特胡可相继发现了所谓的“牛顿环”现象2，但对于薄膜干涉的物理机理无法做出解释。1873年，英国的麦克斯韦对薄膜的干涉现象做出了解释，并且从理论上为分析薄膜光学问题所必需的理论奠定了基础。到了20世纪30年代，FRAUNHOFER利用化学方法制备出了减反射层3，从那时起，便有了光学薄膜。随后，随着科学技术的快速发展，在实验室里研制出了单层反射膜、增透膜、分光膜等光学薄膜。迄今为止，光学薄膜已经有了将近200年的历史，现以广泛的应用于天文学、机械、建筑、工业、农业、军事、医学、光学、光电子及印刷等行业中，并成为了近代光学中的一个重要分支，在人们的日常生活中也占据了重要的地位。122光学薄膜在国内的发展现状我国的光学薄膜技术是在本世纪50年代才开始发展的，经过了从化学镀到真空镀；从玻璃抽气系统到金属抽气泵；从简单的薄膜到复杂的多层薄膜的发展过程4。到了70年代，随着科学技术与经济的不断发展，以及在激光技术、遥感技术、红外技术以及光学工业等方面的需要，光学薄膜技术也得到了快速的发展，在光学薄膜的设计与制备、薄膜性能的研究、制备薄膜的材料、镀膜设备以及制膜的工艺技术方面都取得了很大的成就。同时，在此基础也形成了一个以研究为主体、涉及真空技术、薄膜光学、材料的物理化学等多方面性的学科。13光学薄膜的特点及性能131光学薄膜的特点光学薄具有的特点如下（1）表面光滑，膜层之间的界面成几何分割状；（2）膜层的折射率在界面上可以发生跃迁，但在膜层内是连续的；（3）可以是透明的介质，也可以是吸收介质；（4）可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。132光学薄膜的性能光学薄膜具有如下的性能（1）具有反射功能。依靠反射，可以根据不同的要求将光束反射到空间中的各个方向。（2）具有减反射功能。依靠减反射，可以将在光学元件的表面或界面的光束损耗减少到最少。（3）具有光谱调控功能。依靠光谱调控功能，可以将光学系统中的色度实现转换（4）是光学系统中的相位调控、偏振调控以及光电热等功能中的调控元件，促进了激光技术、光电子技术、光通信技术等现代科学技术的发展5。14光学薄膜的椭偏测量椭圆偏振仪（简称椭偏仪），一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。它能够通过测量光束在两种或两种以上的介质的界面上反射时偏振态的变化，从而获得测量样品的介电函数、膜厚、折射率等参数。它是现代光谱技术领域中一种重要测量手段，具有高精度、高灵敏度、非接触和非破坏性且不需要真空等优点，现已被广泛地应用于各种新材料、多层膜物质、异质结构、表面界面、多层结构、有机物等物质的特性的测量与研究。141椭圆偏振原理椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，通常用来测量薄膜的厚度和介电性质（复数折射率或介电常数）。它是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优点。对于入射光入射任何介质都存在有反射和透射，是研究两媒质间界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。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反射光偏振状态，从而获得薄膜厚度及其折射率的非接触测量方法。图11偏振光在样品表面的反射原理图如图11所示，当一束偏振光在样品表面反射后，可将其分解成在两个互相垂直的方向上的分量波振动面平行于入射面的光称为P波，振动面垂直于入射面的光成为S波。测量时，首先需要对根据椭圆偏振技术制成的椭圆偏振仪的光路进行调节，使光源经过反射镜反射后成形成平行光，经偏振片将平行光转换成线偏振光。线偏振光入射到被测薄膜表面后得到反射光，其偏振状态必将发生变化。用单色仪将光路进行分光，再用光电探测器将光信号转变成电信号，送入计算机用相关软件进行分析。测量时，首先确定光线经过的第一个偏振片是否放在通光轴为零度的位置，然后将待测薄膜放在起偏器和检偏器的中间，插入1/4的玻片，旋转玻片至消光。此时薄膜的光轴与设备的光轴平行。最后将起偏器的通光轴放在45度的地方，开始用软件对待测样品进行数据测量。由计算机分析计算出薄膜各光学性能参数。椭圆偏振光法需要测定两个参数和，的物理意义为反射前后P波、S波相位相差的差别；称为偏振角，TAN代表反射前后P波、S波振幅比比值正切值的变化；为反射光与入射光振幅之比，则通过FRESNEL系数P、S和反射表面的光学常数NNIK，可将这些参数用下述方程来描述6ISEXTAN11142椭圆偏振仪概述椭圆偏振技术是一种测量物体光学性能的特殊而有效的技术，它通过分析偏振光在界面上或薄膜中反射时光偏振态的变化来研究界面与薄膜特性的一种方法。这一技术被广泛应用于物理学、化学、材料、生物、电子、机械、冶金和生物医学等领域。而在测量时用到的仪器便是椭圆偏振仪，它是一种偏振态测试设备，从光源开始到探测器之间配置着各种光学元件，根据光学元件配置的不同，可以将椭圆偏振仪分为“零”偏振型、偏振调制型和回转元件型等7。在这里主要讲解“零”偏振型和偏振调制型。“零”偏振型，其结构一般如下光源起偏器补偿器样品检偏器探测器在进行测试之前，起偏器、补偿器和检偏器都需要调整到“零”消化。通常这个过程都是手动完成，测量过程不仅缓慢而且很难作分光测量，但是测量比较精确，系统误差非常小。偏振调制型，其一般结构如下所示光源起偏器调制器样品检偏器探测器调制器是用来反映时间与延滞的关系，为了实现分光测量必须对每一波长调整调制幅度。由于调制器对环境温度有很强的敏感性，因而仪器标定的稳定性较差。回转元件型是总有一个偏振元件以1060HZ的速度回转。143椭圆偏振仪系统结构及其优点和特点1431椭圆偏振仪系统结构椭圆偏振仪常用的光学元件主要有光源、偏振器件、补偿器、光束调节器和探测器8。如图12所示，图12椭圆偏振仪的系统结构图（1）光源椭圆偏振仪的理想光源是强度稳定,从紫外190NM到近红外整个波长范围内输出近似为常数。目前大多选用XE或HGXE灯是比较合理的，但是它在UV低于260NM强度较弱，而在8801010NM具有很强的原子辐射谱线。此外，有的仪器用激光作光源进行单色椭圆偏振测量。（2）偏振器件偏振器是一种获得或检验偏振光的光学器件，分为起偏器和检偏器。理想的偏振器只能在一个方向传递偏振的光，而不能传递任何沿着它垂直方向偏振的光。偏振器能将任何偏振态的光变成线偏振光并定向于传输轴。（3）补偿器补偿器又称为延滞器，它可以精确地作90度或1/4波长的延滞。补偿器可以由反折射薄片或抛光的斜方形晶体构成。这种元件的精确延滞与光学调整和所用光的波长有关。有的椭偏测量系统利用能将线偏振光变成圆偏振光的补偿器。同时，在特殊情况下，补偿器能够简单地在两垂直的线偏振器之间引入位相延滞。旋转补偿器与旋转偏振器相结合能够将非偏振光变成椭圆偏振光。（4）光束调制器光束调节器通常有两种，一种是机械调制器斩波器，可以实现光束强度简谐地调制为了随后的同步探测；另一种是电光或磁光调制器，用于光束强度电光或偏振态磁光的简谐扰动，为了随后的同步探测，这种调制器一般难以标定和维护，对温度特别敏感并且价格相当昂贵。现在还有一种光弹型调制器用于椭偏仪中。（5）光电探测器通常用于椭偏仪的光电探测器有三种，即光电倍增管、硅光电池和INGAAS，前者对偏振态敏感，后两种则不敏感，并且在很宽范围内对光束强度具有线性响应。此外，也有采用硅光二极管列阵作为探测器的。1432椭圆偏振仪的优点和特点椭圆偏振仪的主要特点是可以同时获得材料的介电函数的实部和虚部，不必利用KRAMERSKRONIG（KK）关系去从其中某个参数求解另外一个参数；具有原子层量级测量灵敏度，可适宜表征表面界面，如检测表面清洗、沉积、薄膜的除去和外延层的生长；具有非破坏性检测等。其具体如下9（1）测量的对象广泛。可以测量透明薄膜，无膜固体样品，多层膜，吸收性膜和众多性能不同的、吸收程度也不同的薄膜，甚至是强吸收的薄膜。（2）方式灵活。既可以测量反射薄膜，也可以测量透射薄膜。（3）被测量的物体尺寸可以很小。（4）测量的速度很快。（5）在椭偏测量光谱中，被测对象的结构信息蕴含在反射或透射出来的偏振光束中，通过光束本身与物质的相互作用将前后产生的偏振状态振幅、相位的改变反映出来。（6）测量精度高。椭圆偏振光谱的工作原理虽然建立在经典电磁波理论上，但实际上它具有原子层级的灵敏度。对薄膜的测量准确度可以精确到1NM，相当于单原子层的厚度。（7）非苛刻性测量。测量的样品可以是块体材料与薄膜，由于它可测得物质在一个波长范围内介电函数的实部和虚部，信息量较多，可对固体样品作精细分析。（8）能同时分别测量出多个物理量。椭圆偏振测量能够直接得到光学常数的实部和虚部，不需要KK关系。它可以同时测出待测样品的厚度、折射率、介电函数和吸光系数等物理量。144椭圆偏振的发展现状1441国外发展现状椭圆偏振测量仪从1945年问世以来,人们在这个领域里,无论在理论上或应用上都做了大量工作。随着科学技术的发展,现在已经出现了多种新型的智能化的仪器装置,以适应当前薄膜科学的发展。1887年DRUDE第一次提出了椭圆偏振理论，随后建立了第一套实验装置，并成功的测量了多重金属的光学常数。1945年，ROTHEN提出了椭圆偏振仪一词10。之后，椭圆偏振仪便开始快速发展，并广泛应用于薄膜测量领域11。到了20世纪60年代，研制出了用马达来驱动的自动消光椭圆偏振仪12和利用光电效应原理的自动消光椭圆偏振仪13随着经济技术的蓬勃发展，20世纪70年代，微计算机处理技术的兴起促进了椭圆偏振测量技术的发展。1975年，美国科学家ASPNES14利用光栅单色仪产生可变波长的原理，设立了以220NM720NM为波长范围的计算机化的旋转检偏器自动椭圆偏振仪,可以测量不同波长下的固体材料的光学特性。之后，又研制出了2544MS的红外自动椭圆偏振仪，从而使得波长从紫外、可见光区发展到红外范围。目前，国外的椭圆偏振仪已经开始商品化、小型化，其自动化程度高，既可以用于在线测量薄膜生长情况的椭圆偏振仪，也可以用于测量薄膜样品的椭圆偏振仪，它的波长范围已经包括红外、紫外和可见15。同时，国外的椭圆偏振仪早已作为产品出售，目前在国际市场上占据主导地位的有美国的WOOLLAM公司、法国的JOBINYVON公司和SOPRA公司等几家16。1442国内发展现状我国的椭圆偏振技术最早开始于20世纪60年代末，是由中山大学莫党教授等人开始研究的。到了70年代中期，他们研究制造出了我国的第一台单波长消光椭圆偏振仪TP75型17。随后又研制出了波长范围为260NM860NM的TPP1型旋转检偏器式波长扫描光度椭圆偏振仪18，在80年代分别实现了激光光源椭圆偏振仪和椭圆偏振光谱仪的自动化19。1996年，朱德瑞等人对TPP1型椭圆偏振仪进行了自动化改造20，用计算机控制整个测量过程，方便测量与取样，在我国的科研中起到了重要的作用。目前，椭圆偏振测量技术不断地向更高层次发展，主要表现为（1）仪器的自动化程度不断被提高，并缩短了单次测量时间，能够对快速工艺过程或变化进行测量；（2）波长范围不断扩展变大，分别向长波段和段波段发展；（3）不断向更复杂的对象和更新的应用领域发展，并解决椭圆偏振测量中结构模型化的问题和寻找数据处理最优的方法。145椭圆偏振仪的应用近年来，随着科学技术的不断进步与发展，以及各个行业的应用与需求的不断扩大，椭圆偏振技术逐渐应用到了物理、化学、材料科学、微电子技术、薄膜技术、冶金学、表面界面技术、天文学、生物学和医学等方面21。1451固体薄膜的光学参数的测量用椭圆偏振技术可以对单层膜、双层膜甚至多层膜进行椭偏测量，得到材料的厚度D、折射率N和吸收系数K，通过相关计算得到其介电常数。近年来也实现了对超晶格、粗糙表面、界面的测量。1452物理与化学吸附用椭圆偏振技术方法在现场，可以无损坏地研究与气态、液态周围媒质相接触的表面上吸附分子或原子形态的问题。1453界面与表面的测量椭圆偏振技术广泛应用于研究在各种不同环境中的材料的表面的氧化和粗糙程度，以及材料接触界面的分析。1454在电化学方面的应用对于离子吸附、阳极氧化、钝化、腐蚀及电抛光等电化学过程，可以现场深入地研究电极电解液界面过程。1455微电子领域的应用在微电子领域中，可以研究薄膜的表面状况、薄膜厚度、半导体的表面以及不同材料的界面情况等；对于高技术材料的研究及其它新领域例如高温超导材料、低维材料、导电聚合物以及光电子学、声光学和集成光学、激光技术等领域，椭圆偏振技术还可以用来研究固体表面的辐射损伤。15研究的主要内容本论文主要包括以下内容1二氧化硅溶胶溶液的制备根据溶胶凝胶法，在一定量的无水乙醇中加入少量硅酸乙酯之溶液，在电动搅拌器搅拌的过程中，缓慢的加入一定的水和盐酸。通过搅拌，得到所需浓度的二氧化硅溶胶溶液。2二氧化钛溶胶溶液的制备采用溶胶凝胶法，在一定量的无水乙醇中加入少量的钛酸丁酯溶液，在电动搅拌器搅拌的过程之中，缓慢的加入一定量的盐酸和水。通过搅拌，得到所需浓度的二氧化钛溶液。3二氧化硅与二氧化钛薄膜的制备采用浸渍提拉法，用自己设计好的浸渍提拉机以一定的提拉速度将基片（载玻片）从制备好的二氧化硅和二氧化钛溶胶溶液中提拉出来，从而制得两种薄膜。然后用真空电阻炉在350400摄氏度的温度下烘干这两种薄膜。4二氧化硅与二氧化钛薄膜的椭偏测量用SC630全自动椭圆偏振光谱仪测量两种薄膜的光学参数，测量得到两种薄膜的薄膜厚度D、折射率N及吸光系数K。5数据处理与讨论将测量得到的数据用EXCL表格处理后，用ORIGIN70软件作图。然后根据图分析讨论薄膜性能。2实验设计21实验药品和仪器实验中所用到的实验药品和仪器规格如下表21实验所需的药品和仪器仪器或药品名称分子式规格生产厂家全自动椭圆偏振光谱仪SC630上海三科仪器有限公司精密增力电动搅拌器JJ1常州国华电器有限公司真空电阻炉辽宁省爱发科中北真空有限公司自制的浸渍提拉机钛酸丁酯TIOC4H94500ML（分析纯）天津市光复精细化工研究所硅酸乙酯SIOC2H54500ML（分析纯）天津市光复精细化工研究所无水乙醇C2H5OH500ML（分析纯）天津市富宇精细化工研究所盐酸HCL36100ML泰州市茶马商贸有限公司蒸馏水H2O500ML22SIO2与TIO2光学薄膜的制备221SIO2光学薄膜的制备制备SIO2薄膜前，首先要配制SIO2溶胶溶液，同时将浓度为36的盐酸稀释成浓度为03的盐酸。SIO2薄膜用硅酸乙酯（SIOC2H54）（分析纯）来制备，其中SIO2的含量约为40，配制时3毫升的硅酸乙酯加05毫升的蒸馏水，另外加入溶度为03的盐酸作水解的催化剂，100ML溶液中加入1ML的盐酸。配制溶液时各种化学药品的加入顺序是无水乙醇、硅酸乙酯、蒸馏水、盐酸。硅酸乙酯的完全水解最终会生成二氧化硅和乙醇，其反应原理方程式可表示如下SIOC2H544H2OSIO24C2H5OH实验中配置四种不同浓度的硅酸乙酯溶液，浓度分别为5、10、15和20，各种药品用量如下表22配置不同浓度的硅酸乙酯（单位100ML）药品硅酸乙酯/ML蒸馏水/ML03盐酸/ML无水乙醇/ML55253895101053821515753745浓度202010367配制溶液时，首先将烧杯洗干净，然后放在烘干箱中烘干。在干燥的烧杯中加入所需的无水乙醇溶液，然后将硅酸乙酯溶液缓慢加入到无水乙醇中，配制成硅酸乙酯酒精溶液，用JJ1精密增力电动搅拌器以一定的搅拌速度搅拌。在搅拌的过程中缓慢的加入蒸馏水，不能加入过快，以免硅酸乙酯水解过快而沉淀，在加入蒸馏水的同时，用吸管将03的盐酸一滴一滴地加入到搅拌的溶液中，要控制好滴加盐酸的速度。待搅拌20分钟后，便可停止搅拌，此时硅酸乙酯溶液已完全水解，形成SIO2溶胶溶液。涂覆的基片选用的是显微镜用的载玻片，将载玻片用蒸馏水浸泡30分钟，然后在烘干箱中烘干。将烘干的载玻片垂直插入到配制好的SIO2溶胶溶液中，用设计好的可以控制提拉速度的提拉机以一定的速度将载玻片提拉到空气中，粘附在载玻片上的溶液中的乙醇部分挥发，待载玻片干燥后，再将其放入到420的真空电阻炉中培烧1个小时，使载玻片上多余的水分和乙醇蒸发，最后在载玻片上生成透明的SIO2薄膜。221TIO2光学薄膜的制备制备TIO2光学薄膜，选用的是钛酸丁酯（TIOC4H94）（分析纯）溶液，其中钛的含量不低于98。配制时1毫升的钛酸丁酯需加入05毫升的蒸馏水，另外加入溶度为03的盐酸作为水解的催化剂，100ML溶液中加入3ML的盐酸。无水乙醇作为溶剂，起着分散钛酸丁酯的作用，使其分散均匀并增大其流动性，减小钛酸丁酯的水解速率。配制溶液时各种化学药品的加入顺序与配制SIO2溶胶溶液的顺序是一样的，即无水乙醇、钛酸丁酯、蒸馏水、盐酸。钛酸丁酯的完全水解最终会生成二氧化钛和丁醇，其反应的化学方程式可表示如下TIOC4H944H2OTIO24C4H9OH实验中配制四种不同浓度的钛酸丁酯溶液，其浓度分别为5、10、15和20，配制100毫升的溶液时所需的各种化学药品的用量如下表23配制不同浓度的钛酸丁酯溶液（单位100ML）药品钛酸丁酯/ML蒸馏水/ML03盐酸/ML无水乙醇/ML55253895101053821515753745浓度202010367配制溶液时，首先将烧杯清洗干净，然后放在烘干箱中烘干。在干燥的烧杯中加入所需的无水乙醇溶液，然后将钛酸丁酯溶液缓慢加入到无水乙醇中，配制成钛酸丁酯酒精溶液，用JJ1精密增力电动搅拌器以一定的搅拌速度搅拌。在搅拌的过程中缓慢的加入蒸馏水，不能加入过快，以免硅酸乙酯水解过快而沉淀，在加入蒸馏水的同时，用吸管将03的盐酸一滴一滴地加入到搅拌的溶液中，要控制好滴加盐酸的速度。由于钛酸丁酯水解速度太快，所以在加入蒸馏水之前先加入1毫升的03盐酸，然后再加入蒸馏水和剩下的盐酸。待搅拌20分钟后，便可停止搅拌，此时钛酸丁酯溶液已完全水解，形成TIO2溶胶溶液。涂覆的基片仍选用的是显微镜用的载玻片，将载玻片用蒸馏水浸泡30分钟，然后在烘干箱中烘干。将烘干的载玻片垂直插入到配制好的TIO2溶胶溶液中，用设计好的可以控制提拉速度的提拉机以一定的速度将载玻片提拉到空气中，粘附在载玻片上的溶液中的丁醇部分挥发，待载玻片干燥后，再将其放入到440的真空电阻炉中培烧1个小时，使载玻片上多余的水分和丁醇蒸发，最后在载玻片上生成透明的TIO2薄膜。23SIO2与TIO2光学薄膜的椭偏测量231SC630全自动椭圆偏振光谱仪的操作SC630全自动椭圆偏振光谱仪是一种新型的全自动的仪器，操作简单，同时省去了复杂的数据计算过程，通过计算机直接读出测量所需的数据。该仪器具有宽范围、高精度、强大的数据分析功能，允许用户自定义，全波长多角度同时数据拟合的特点。既可以适合于各科研院所对介电、半导体、金属、有机物等各种材料的光学特性、结构特征、生长过程和材料质量的快速测试,也可以对更多未知材料开展研究工作。如图21所示，SC630全自动椭圆偏振光谱仪包括以下三部分椭圆偏振仪主机；控制箱（包括单色仪）；计算机。中间的部分便是椭圆偏振仪主机部分，它是由入射臂、出射臂、准直用激光器支架、样品台、角度计和支架组成的。图21SC630全自动椭圆偏振光谱仪同时，SC630全自动椭圆偏振光谱仪的操作过程如下（1）测量前的准备打开氙灯电源开关打开主机电源开关打开计算机电源开关预热2030分钟。（2）运行程序点击桌面上的SC630图标，进入程序界面。（3）HARDWARE窗口点击界面右上方WINDOWHARDWARE，进入到HARDWARE窗口（试验窗口）。（4）初始化系统点击HARDWARE窗口，在实验进行前必须先进行系统初始化，点击EXPERIMENTINITIALIZATION，窗口显示“ITISINITIALIZING,PLEASEWAIT”，进入初始化状态。（5）样品垂直1点击ALIGNMENTALIGNSAMPLE，入射臂和出射臂运行至70度；2打开准直用激光器电源；3顺时针或逆时针调整样品台下面的两个俯仰调整螺钉，使得准直用激光器发出的光经样品反回到它的出光孔；4在出射臂入光孔上放入样品对光套，调节样品的高低调节盘，使得入射臂发出的白光经样品反射后到达出射臂的入光孔；5按照上述两条的操作重新检查，调整样品的俯仰和高低，直至正确为止；6点击对话框中的OK，显示关闭准直用激光器提示窗口，关闭准直用激光器电源；7点击对话框中的CLOSE，样品准直过程结束。（6）样品测试点击实验窗口的EXPERIMENTSTARTEXPERIMENT，窗口跳出参数设置的对话框。分别输入测试的入射角度、波长范围以及波长间隔，然后点击对话框中的START自动进入测试状态，窗口上方显示“DONTDOOTHEROPERATION”，然后显示测试图谱，直至窗口显示“MEASUREMENTISOVER”,测试结束。（7）数据保存点击FILESAVEAS可以把实验数据保存到自己定义的目录下面。232SIO2与TIO2光学薄膜的参数测量按照SC630全自动椭圆偏振光谱仪的操作过程，在机器预热结束后，将要测的薄膜中的一个载玻片放在样品台上，待计算机完成初始化后，对样品进行样品垂直，由于光在薄膜表面发生漫反射，所以只有部分白光进入到出射光孔中，但不影响测量结果。所有的调整结束后，点击实验开始，设置测量角度分别为40度、50度和60度，测量波长的范围为2501700NM，测量间隔为10NM，设置结束后开始数据测量。数据测量结束后，将数据保存到自定义的文件夹中，将显示图谱的窗口关闭，点击试验窗口，打开刚才保存的数据，就可以点击生成数据窗口，同时在图谱窗口显示出实验数据图谱和理论数据图谱。在图谱显示窗口中，点击图谱的纵坐标，可以改变显示的变量，然后导出试验所需的关于折射率N、吸光系数K的数据，保存到自定义的文件夹中。依照上述的描述，完成对SIO2、TIO2光学薄膜的参数测量，同时记录下这两种薄膜的折射率与吸光系数的数据。同时利用软件进行多次拟合，从而得出测量样品的薄膜厚度，每个样品对应唯一的一个厚度。3结果与讨论31SIO2光学薄膜的测量数据的处理311实验数据处理将导出的数据用记事本打开，将这些数据导入到EXCL表格中，可以得到我们所需要的数据即折射率N、吸光系数K以及薄膜的厚度D。然后用ORIGIN70软件作图，作出横轴以波长（WAVELENGTH或者溶液浓度C为变量，纵轴以薄膜厚度D、吸光系数K或折射率N为变量的图，并将其保存为图片的格式。312实验数据分析3121测量角度对薄膜折射率和吸光系数的影响在溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定的条件下，测量的薄膜折射率的数据如图31A、图31B、图31C所示（ABC图315SIO2溶液在A02CM/S、B03CM/S、C04CM/S不同测量角度下的折射率当溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定时，在波长范围为250500NM时，薄膜的折射率值波动比较大；波长范围为5001100NM时，薄膜的折射率值的波动逐渐减小；当波长大于1100NM时，折射率趋于稳定状态。同时对比，可以得出，当浓度、提拉速度一定时，测量角度越大，薄膜的折射率值越趋于稳定状态。在溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定的条件下，测量薄膜的吸光系数的数据如图32A、图32B、图32C所示ABC图325SIO2溶液在A02CM/S、B03CM/S、C04CM/S不同测量角度下的吸光系数当溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定时，在波长范围为2501100NM时，薄膜的吸光系数波动范围比较大；当波长大于1100NM时，薄膜的吸光系数逐渐趋于稳定。同时，当溶液浓度、提拉速度一定时，随着测量角度的增大，薄膜的吸光系数也不断趋于稳定状态。造成薄膜的折射率和吸光系数随着测量角度的变化而变化的这种现象，主要是因为在测量过程中，测量所用的波长是确定的，随着测量角度的变化，从而造成椭圆偏振测定的两个参数和发生了一定的变化，从而造成薄膜的折射率和厚度发生了变化。由此可见，在溶液浓度、提拉速度一定的条件下，随着测量角度的增大，薄膜的折射率和吸光系数都不断地趋于稳定状态，测量值也越来越精确。其他的溶液浓度、提拉速度一定时，薄膜的折射率与吸光系数的变化趋势与上述的描述相同，详见附录。3122提拉速度对薄膜折射率和吸光系数的影响当溶液浓度、测量角度一定时，测量所得的薄膜的折射率的数据如图33A、图33B、图33C所示ABC图335SIO2溶液在A40度、B50度、C60度不同提拉速度下的折射率当溶液的浓度、测量角度一定时，随着提拉速度的增大，当波长范围为250500NM时，薄膜的折射率增大，且波动范围较大；当波长范围为5001100NM时，薄膜的折射率不再增大，波动也逐渐减小；当波长大于1100NM时，薄膜折射率区域一种稳定的状态，基本保持不变。同时，随着提拉速度的增大，薄膜的折射率也越来越稳定。这是因为提拉速度决定了覆膜时薄膜的厚度以及薄膜表面的均匀性，提拉速度越快，粘附在载玻片上的溶液太多，来不及蒸发，造成薄膜上薄下厚现象，使得薄膜表面不均匀，造成测量的折射率波动较大。当溶液浓度、测量角度一定时，测量所得的薄膜的吸光系数的数据如图34A、图34B、图34C所示ABC图345SIO2溶液在A40度、B50度、C60度不同提拉速度下的吸光系数当溶液浓度、测量角度一定时，随着覆膜时的提拉速度的变化，吸光系数的变化呈现出不同的状态。当波长范围为2501100NM时，吸光系数值的变化波动比较大；当波长大于1100NM时，吸光系数逐渐趋于稳定，呈现一定值。并由图可知，随着提拉速度的增大，薄膜的吸光系数逐渐趋于稳定，并呈现一个定值。因为提拉速度决定了覆膜时薄膜的厚度以及薄膜表面的均匀性，提拉速度越快，粘附在载玻片上的溶液太多，来不及蒸发，造成薄膜上薄下厚现象，使得薄膜表面不均匀，造成测量的吸光系数波动较大。由此可见，提拉速度对薄膜的折射率和吸光系数有一定影响程度。当溶液浓度、测量角度一定时，随着提拉速度的增大，薄膜的折射率和吸光系数的变化越稳定，同时测量值也更加精确。其他的溶液浓度、测量角度一定时，所测得的薄膜折射率和吸光系数的变化趋势与上述的描述相同，详见附录。3123溶液浓度对薄膜折射率和吸光系数的影响当测量角度、覆膜时的提拉速度一定时，测量所得的薄膜的折射率系数的数据如图35A、图35B、图35C所示ABC图35在A40度02CM/S、B50度02CM/S、C60度02CM/S不同浓度测量条件的折射率当薄膜的测量角度、覆膜时的提拉速度一定时，随着溶液浓度的变化，薄膜的折射率呈现一定的变化。当波长范围为250500NM时，折射率值的变化波动太大，但保持逐渐增大的趋势；当波长范围为5001100NM时，折射率的值波动还是很大，但不再有增大的趋势；当波长大于1100NM时，折射率值趋于稳定的状态，并趋于一定值。这是因为溶液浓度较大时，溶液中的硅酸乙酯溶液不能完全水解，使得溶液的粘度增大，薄膜的厚度也增加，从而造成测量时折射率的不稳定性。由此可见，当薄膜的测量角度、提拉速度不变时，随着溶液浓度的增大，薄膜的折射率由波动较大逐渐趋于稳定状态，并趋于一个定值。当测量角度、覆膜时的提拉速度一定时，测量所制得的薄膜的吸光系数的数据如图36A、图36B、图36C所示ABC图36在A40度02CM/S、B50度02CM/S、C60度02CM/S不同浓度测量条件的吸光系数当薄膜的测量角度、覆膜时的提拉速度一定时，随着溶液浓度的变化，薄膜的吸光系数呈现一定的变化。当波长范围为250400NM时，折射率值的变化波动太大，但保持逐渐增大减小的趋势；当波长范围为4001100NM时，折射率的值波动还是很大，但不再有减小的趋势；当波长大于1100NM时，折射率值趋于稳定的状态，并趋于一个定值。由此可见，当薄膜的测量角度、提拉速度不变时，随着溶液浓度的增大，薄膜的折射率由波动较大逐渐趋于稳定状态，并趋于一个定值，呈现先减小后保持不变的趋势。这是因为溶液浓度较大时，溶液中的硅酸乙酯溶液不能完全水解，使得溶液的粘度增大，薄膜的厚度也增加，从而造成测量时吸光系数的不稳定性。由此可见，当薄膜的测量角度、提拉速度不变时，随着溶液浓度的增大，薄膜的吸光系数由波动较大逐渐趋于稳定状态，并趋于一个定值。其他的溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定时，测量所得的薄膜的折射率与吸光系数的变化趋势与上述描述的相同，详见附录。3124溶液浓度对薄膜厚度的影响图37是实验测量得到的溶液浓度与薄膜厚度的关系曲线图。如图所示，当覆膜时的提拉速度一定时，薄膜的厚度随着溶液浓度的增大而增大。这是因为溶液浓度变大时，它的粘度也随着变大，使得粘附在基片上的溶液增加，造成厚度增加。当溶液的浓度一定时，随着提拉速度的增大，薄膜的厚度也增加。由于提拉速度太快，粘附在基片上的溶液不能快速的蒸发，使得基片上形成上薄下厚的薄膜。图37SIO2薄膜的厚度与溶液浓度的关系由此可见，溶液的浓度与覆膜时的提拉速度是控制薄膜厚度的两个重要因素。因此，在实验中，可以将溶液浓度作为一个定值，通过调节覆膜时的提拉速度来调节薄膜的厚度。同时，由上图可以知道，提拉速度的快慢也会影响薄膜厚度的均匀性。当提拉速度太快时，粘附在载玻片上的溶液太多，不能够及时将多余的水分和乙醇蒸发，使得溶液在重力的作用下向下流动，从而造成薄膜的膜层呈上薄下厚的现象。所以，实验中应该选取合适的提拉速度，从而制得厚度均匀的薄膜。32TIO2光学薄膜的测量数据的处理321实验数据处理TIO2薄膜的数据处理方式与SIO2薄膜的处理方式相同，即将导出的数据用记事本打开，然后将这些数据导入到EXCL表格中，通过处理得到我们所需要的数据即TIO2薄膜的折射率N、吸光系数K以及薄膜的厚度D。然后用ORIGIN70软件作图，作出横轴以波长（WAVELENGTH或者溶液浓度C为变量，纵轴以薄膜厚度D、吸光系数K或折射率N为变量的图，并将其保存为图片的格式。322实验数据分析3221测量角度对薄膜的折射率与吸光系数影响在溶液浓度、测量角度一定的条件下，测量所得的TIO2薄膜的折射率的数据如图38A、图38B、图38C所示ABC图385TIO2溶液在A02CM/S、B03CM/S、C04CM/S不同测量角度下的折射率当溶液的浓度、覆膜时的提拉速度一定时，随着测量角度的变化，薄膜的折射率也呈现一定的变化。当波长范围为250400NM时，薄膜的折射率波动较大，并且呈现出随着测量波长的增大，薄膜折射率也增大，在400NM时达到最大值；当波长范围为4001100NM时，折射率随着测量薄膜的增大而缓慢减小，且测量角度越大，折射率值越稳定；当波长大于1100NM时，折射率的变化趋于稳定状态。这主要是因为在测量过程中，测量所用的波长是确定的，随着测量角度的变化，从而造成椭圆偏振法测定的两个参数和发生了一定的变化，从而造成薄膜的折射率和厚度发生了变化。由此可见，在溶液的浓度、覆膜时的提拉速度一定时，测量角度的变化对薄膜的折射率的测量有一定的影响。随着测量角度的增大，薄膜的折射率越趋于稳定状态，测量值也越精确。当溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定时，测量所得的薄膜的吸光系数的数据如图39A、图39B、图39C所示ABC图395TIO2溶液在A02CM/S、B03CM/S、C04CM/S不同测量角度下的吸光系数当溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定时，薄膜的吸光系数的随着测量波长的变化而呈现一定的变化趋势。当波长范围为250400NM时，薄膜的吸光系数波动较大，但随着测量角度的增大，吸光系数的波动幅度逐渐减小；当波长范围为4001100NM时，薄膜的吸光系数的波动幅度减小，并逐渐稳定趋于一条线上，随着测量角度的增大，波动的幅度减小，集中趋于一条线上；当波长大于1100NM时，吸光系数的波动很小，都集中于一条线上，并随着测量角度的增大，波动越来越小。造成这种现象，主要是因为在测量过程中，测量过程中所用的波长是确定的，随着测量角度的变化，从而造成椭圆偏振测定的两个参数和发生了一定的变化，从而造成薄膜的吸光系数发生了变化。由此可见，在溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定的条件下，随着测量角度的增大，薄膜的吸光系数的变化越来越稳定，测量值也越来越精确。其他的溶液浓度、覆膜时的提拉速度一定的条件下，薄膜的折射率与吸光系数的变化与上述描述的相同，详见附录。3222提拉速度对薄膜的折射率和吸光系数的影响当溶液的浓度、测量薄膜时的角度一定时，随着覆膜时提拉速度的变化，测量所得的薄膜的折射率的数据如图310A、图310B、图310C所示ABC图3105TIO2溶液在A40度、B50度、C60度不同提拉速度下的折射率当溶液的浓度、测量角度一定的条件下，随着覆膜时提拉速度的变化，薄膜的折射率变化呈现一定的变化趋势。当测量波长范围为250400NM时，测量所得的薄膜的折射率的值分布较散，测量值波动较大，但仍然呈现一种随着测量波长的增加而增大，波长达到400NM时，折射率值不再增加，同时，提拉速度越大，测量值得波动越小；当波长范围为4001100NM时，随着测量波长的继续增加，薄膜的折射率以一定的趋势开始减小，折射率值的波动随着提拉速度的增大变得越来越稳定；当波长大于1100NM时，折射率的变化波动较小，并呈现出一定的趋势，同时，随着提拉速度的增大，变化越来越稳定。这是因为提拉速度过快时，粘附在基片上的溶液中的水分和酒精不能完全蒸发，使得薄膜表面不均匀，从而造成测量时折射率的不稳定性。由此可见，在溶液浓度、测量角度一定的条件下，提拉速度对薄膜的折射率有一定的影响。薄膜的折射率随着提拉速度的变化，变得越来越稳定，测量也越来越精确。当溶液浓度、测量角度一定时，测量所得的薄膜的吸光系数的数据如图311A、图311B、图311C所示ABC图3115TIO2溶液在A40度、B50度、C60度不同提拉速度下的吸光系数当溶液浓度、测量角度一定时，薄膜的吸光系数随着提拉速度的变化而变化，并呈现一定的趋势。当波长范围为250400NM时，测量所得的薄膜的吸光系数的值分布较散