固体材料光谱学

关于固体材料光谱学固体光谱简介

透射和反射光谱椭圆偏振光谱

主要内容第2页,共34页，2024年2月25日，星期天光谱发展历史人们对光谱的研究已有三百多年的历史了。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。第3页,共34页，2024年2月25日，星期天固体光谱学(SolidStateSpectroscopy)是关于光和凝聚态物质相互作用的一门学科。光谱是电磁辐射按照波长(能量)的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长(能量)都具有各自的特征强度。

通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、弛豫时间、电子的组态、分子的几何形状等多方面物质结构的知识。固体光谱学第4页,共34页，2024年2月25日，星期天透射光谱和反射光谱固体光谱学包括固体的吸收、反射、发光和透射光谱。不同材料对光都有不同程度的反射和透过，即使对同一种材料，对不同的波段的光，反射和透射特性也可能不相同。透射率T与入射光频率ω之间的关系叫做透射光谱。第5页,共34页，2024年2月25日，星期天反射透射示意图反射系数：反射率：将电矢量分解为垂直入射面分量En和平行于入射面的分量Ep第6页,共34页，2024年2月25日，星期天透射光谱第7页,共34页，2024年2月25日，星期天反射光谱第8页,共34页，2024年2月25日，星期天椭圆偏振光谱基于材料对光的反射，发展起一些测量光学常数的方法，例如椭圆偏振光谱等。椭圆偏振光谱学(SpectroscopicEllipsometry)是一种以椭圆偏振光测量为基础的光谱技术，简称椭偏光谱学，缩写为SE。SE是通过光在样品表面反射后相位和振幅的变化来表征薄膜的性能的，反射前后P，S波相位的变化用Δ表征，ψ则反映了波振幅的改变。第9页,共34页，2024年2月25日，星期天偏振光的种类

光是电磁波，光的偏振现象表明光是一种横波，即电磁振动方向与光的传播方向垂直。光作为电磁波，光波中含有电振动矢量E和磁振动矢量H，就光与物质的相互作用而言，起主要作用的是电矢量，通常称电矢量E为光矢量。并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。根据光矢量的振动状态，可以把光分为五种偏振态:第10页,共34页，2024年2月25日，星期天五种偏振态第11页,共34页，2024年2月25日，星期天椭偏仪的发展1853年，英国物理学家Stokes发明了描述光偏振态的简便表达式,谁知在以后的近100年里，他的这一研究成果竟被埋没在文献堆里而无人问津，直到1950年才重被人们发掘出来，并从此普遍应用。不过早期实验上设计的椭偏仪多半采用消光方式，它的结构简单，已被沿用了上百年。在7O年代前，实验上和工业界大都使用这种类型的椭偏仪，如半导体工厂用它来准确测定集成电路工艺中二氧化硅层的厚度。然而这种方式也存在着缺点，即在的光谱实验中需要使用一个1／4波片，这限制了工作波长范围，因此难以被用于材料学研究。此外，测量过程多半靠手动完成，比较费时。第12页,共34页，2024年2月25日，星期天椭偏测量光路图第13页,共34页，2024年2月25日，星期天自动椭圆偏振光谱仪光谱范围:250nm-1700nm光谱分辨率:0.1nm光斑直径:1mm-3mm入射角范围:20°to80°第14页,共34页，2024年2月25日，星期天原理图第15页,共34页，2024年2月25日，星期天由椭偏光度法得到的实验测量是ψ和Δ,它们能够显示出样品的光学和结构性质。用下面的公式表示：第16页,共34页，2024年2月25日，星期天光在薄膜上的反射示例第17页,共34页，2024年2月25日，星期天体材(块材)n，k的计算公式其中：n0=1:空气折射率;φ0:角（弧度表示）第18页,共34页，2024年2月25日，星期天薄膜的n，k

测量出样品的ψ和Δ后，选用在理论上适合的模型对ψ和Δ拟合，并按照相应的公式计算出薄膜的性能参数。第19页,共34页，2024年2月25日，星期天模型分类1.洛仑兹振子模型

洛仑兹认为:物质分子是由一定数量的重原子核和外围电子构成的复杂带电系统,固体的介电函数可以用一定数量的Lorentz振子的和近似表示,称为简谐振子近似.简谐振子模型适合用于晶态半导体材料,当材料的特征不是很清楚的情况下,选用简谐振子模型是比较好的选择。2.Drude模型主要用于金属自由电子气、硅化物和半导体等材料中的载流子吸收等情况。3.柯西模型它适用于透明材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、ITO、KCl等.第20页,共34页，2024年2月25日，星期天4.

Sellmeier模型

非常适用于透明材料和吸收材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、KCl等,处于红外波段的Ge、Si、GaAs;材料在透明波段的光学常数具有较高的精确度。5.

EMA(有效介质)模型有效介质模型应用于两种或两种以上的不同组份合成的混合介质体系,多达5种不同材料组成的混合材料、多晶膜、金属膜、表面粗糙的膜、多孔膜、不同材料或合金的分界面、不完全起反应的混合材(TiSi、WSi)、无定形材料和玻璃。6.Graded模型

和EMA模型相似,适用于两种材料的混合材料,但层内不同深度的混合比是确定的。第21页,共34页，2024年2月25日，星期天洛伦兹振子模型光与物质的相互作用，也就是固体对光的响应可以看成阻尼振子体系在入射光作用下的受迫振荡。一个谐振子的运动方程可以表示为：第22页,共34页，2024年2月25日，星期天复介电常数能够用上面的公式表达，折射率和消光系数用下面的公式表示：第23页,共34页，2024年2月25日，星期天实验数据处理第24页,共34页，2024年2月25日，星期天Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜

ψ和Δ的光谱第25页,共34页，2024年2月25日，星期天BLT薄膜拟合的参数值第26页,共34页，2024年2月25日，星期天BLT薄膜介电常数第27页,共34页，2024年2月25日，星期天BLT薄膜折射率和消光系数第28页,共34页，2024年2月25日，星期天椭圆偏振光谱的优点1.测试过程对于被测试样品损伤和破坏极小。2.测量精度高.椭偏光谱的工作原理虽然建立在经典电磁波理论上,但实际上它有原子层级的灵敏度.对薄膜的测量准确度可以达到1nm,相当于单原子层的厚度.3.能同时分别测量出几个物理量.椭偏光谱可直接得到光学常数的实部和虚部,不需要K-K关系.4.测量的速度很快.5.对被测样品以及被测样品所处的环境条件无特殊要求。第29页,共34页，2024年2月25日，星期天椭圆偏振光谱的应用（1）固体薄膜光学性质的测量应用椭偏术可对单层吸收膜、双层膜及多层膜进行测量,得到材料的光学常数折射率N和吸收系数K,进而得到其介电常数。近年来也实现了对离子注入损伤分布的测量、超晶格、粗糙表面、界面的测量。（2）界面与表面的应用（3）电化学研究电极-电解液界面过程。（4）微电子领域第30页,共34页，2024年2月25日，星期天椭偏仪的发展趋势

1.寻找较高强度的红外光源,拓宽椭偏仪的光谱范围,以准确确定异质结构的多层膜结构;2.建立包含成像椭偏仪的校准因素的系统模型,以减小成像椭偏仪的测量误差;3.对半导体工业常用薄膜材料建立准确的物理模型,以减小系统的计算误差;4.引入能够同步进行数据获取和数据处理的控制系统,并利用优化算法,较快得出薄膜系统待求参量,以提高椭偏仪的测量速度,增强椭偏仪的在线检测和控制功能。第31页,共34页，2024年2月25日，星期天参考文献[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,张晋敏椭偏仪的原理和应用JournalofHefeiUniversity(NaturalSciences)Feb.2007Vol.17No.1

[5]莫党.固体光学[M].北京:高等教育出版社,1996:135-141[6]黄宗卿.固体表面分析的光学方法——椭圆法[J].科学(中文版)-1993年7期[7]方容川.固体光谱学[M].安徽:中国科学技术大学出版社,2003:29-39