固体材料光谱学评价

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1、固体材料的光谱学评价固体材料的光谱学评价 曾敏 51091202002 姜凯 51091202007 1.光谱学简介光谱学简介 我们知道光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的 产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根 据实验条件的不同，各个辐射波长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、能级寿命、电子的组态、分子的几 何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱 学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量 的分析方法。 光谱学的研究已有三百多年的历史了。1666 年，牛顿

2、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，如图 1 所示。 图 1.太阳光通过棱镜后的光谱 其后一直到 1802 年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在 1814 年夫琅和 费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通 过了圆孔而不是通过狭缝。在 18141815 年之间，夫琅和费公布了太阳光谱 中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些 线称为夫琅和费暗线。 实用光谱学是由基尔霍夫与本生在 19 世纪 60 年代发展起来的；他们证 明光谱学可以用作定性化学分析的新方法

3、，并利用这种方法发现了几种当时 还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。 从 19 世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试 图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了 很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分 子和凝聚态物质。 2.透射光谱和反射光谱透射光谱和反射光谱 2.1 透射和反射原理透射和反射原理 如图 2 所示，设一束光从折射率为 n1，沿 z 方向以 1角度入射到折射率 为 n2、无限大且均匀的介质上，介质 n1和 n2之间的的界面假设为理想的无厚 度界面，并且无界面电荷和电流。入射、反射、透射光的

4、电矢量分别用 E、E 和 E“，磁场矢量分别用 H、H和 H“表示，为简单起见，将它们都用平面波表 达形式。反射系数 r 和反射率 R，透射系数 t 和透射率 T 分别定义如下： 图 2. 光在界面上的反射和透射示意图 反射系数： 透射系数： EEr EEr反射率： 透射率： EER22 EER22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 之间 的关系叫做透射光谱。相应的，反射率 R 与入射频率 之间的关系叫做反射 光谱。 2.2 透射光谱透射光谱 图 3. BLT 薄膜的透射谱 图 3 给出了 Bi3.2

5、5La0.75Ti3O12 （BLT）薄膜在不同温度下的反射谱。我们可 以将光谱大致分为 3 个部分： 透明振荡区， 低透区， 强吸收区。 可以得出， 透射光谱随温度的变化时由于它们的热膨胀系数和低光子能量区光学常数的不 同。 折射率的变化是由于无序结构的增加并且导致了在提高温度时振荡模式的波 动变化。需要指出的是，BLT 的吸收边位于透明振荡区的尾端，且在光谱区域 中。图中可以看出：随着温度的升高，吸收边出现蓝移现象。结果表明，OBG 能量随着温度的升高而升高，BLT 材料有负温度相关系数。为了详细的分析温 度对 OBG 能量的影响作用，我们在 3.6eV 到 4.5eV 吸收边附近能量区间

6、内放大了它的透射谱。可以看到：透射率随着能量增加而急剧下降，在超过 4.5eV 能量 后，透射率下降为零。这是由于本证吸收的作用。 我们能够从透射光谱中直接得到 BLT 薄膜的吸收率，而且已知薄膜的厚 度后，BLT 的吸收系数 我们也能得到。 2.3 反射光谱反射光谱 图 4. 一些金属的反射谱 一些金属的反射光谱如图 4 所示。由图可见，金属银在整个可见光谱区 都具有大约 80%到 90%的反射率，故呈白色，而紫外波段的反射率明显下降； 金属铝的反射波段更宽，从近紫外到近红外都具有 90%的反射率，因此人们 常用镀铝的光学玻璃，作为光学反射膜。而铜和金对绿色和紫色的反射率下 降，故呈现黄色。

7、但对红外光的反射率仍很高，这种特性被用来作反防止热 辐射损伤眼睛保护膜。 3.椭圆偏振光谱椭圆偏振光谱 3.1 偏振光的种类偏振光的种类 图 5. 光的传播示意图 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（如图 6 所示） ： 图 6. 五种偏振态 自然光：垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说 来任一方

8、向上具有相同的振幅， 这种横振动对称于传播方向的光称为自然光。 部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等， 在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值， 这种光称为部分偏振光。 自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。 线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同 一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。 椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转 运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线 方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋 椭圆偏振光。

9、圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特 殊情形。在我们的观察时间段中平均后，园偏振光看上去是与自然光一样的。 但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是 随机的，没有规律的。 3.2 椭圆偏振原理椭圆偏振原理 图 7. 椭偏原理图 我们知道，即使用线偏振光入射到固体表面，反射光的平行分量 Ep与垂直 分量 En，出了几个特殊的入射角以外，一般相互独立，不仅大小不等，而且存 在一定的相位差，结果合成的电矢量为椭圆偏振，如图 7 所示。椭偏度与两个分 量的大小和相位有关，也就是和材料的 n（）和 k（）有关。 由椭偏法得到的实验测量是和,它们能够

10、显示出样品的光学和结构性质。 用下面的公式表示： ).,(tan321dnnnferrinpnpnponop EEEErrtannp3.3 处理实验数据处理实验数据 图 8. 体材料和薄膜的反射示意图 3.3.1 体材料 对于体材料，我们可以用公式直接计算出材料的光学常数： 222 22 0002cos 2sin 2sin(sin)1tan(1 sin2cos )rn22 rnk 2 0002sin4sin(sintan)(1 sin2cos )in 2ink其中：n0=1:空气折射率；0:角（弧度表示） 。 3.3.2 薄膜 如图 8 所示，由于薄膜很薄，光会在薄膜表面发生干涉，探测器得到的

11、结果 是衬底和薄膜的共同作用，无法直接用公式计算，我们需要采用拟合的方法来对 数据进行分析。一要选择适当的衬底，二要选适当的模型进行拟合。 下面简单介绍下洛伦兹振子模型：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： tieqExMxMxM02 0* 由运动方程我们得到谐振子在光波作用下的位移， 由极化强度 P 的定义我们 就可以求出极化强度以及计划率的色散关系，从而得到介电系数、折射率、以及 电导率的色散关系。 222021/ * i MNq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：

12、iri221 2rinr221 2rikr图 9. 实验数据处理示意图 3.4 拟合实例拟合实例 我们给出了 Bi3.25La0.75Ti3O12 薄膜的拟合结果： 图 10. BLT 薄膜 和 的光谱 为了得到 BLT 薄膜的光学常数，由于红外光不能在足够厚的 Pt 层传播，所 以我们用一种三相模型（空气/BLT/Pt）来分析椭圆偏振光谱。我们可以看到表 一中是它的拟合值，图 10 是 和 的拟合光谱。 在图 11 中，我们可以看到 BLT 薄膜的介电常数和光学常数与波数变化之间 的关系。它们显示了介质材料的基本光学性质。介电常数 1随着波数的减少（波 长增加）而减少，而介电常数 2随着波数

13、的减少而增加。类似的，BLT 薄膜的 折射率随着波数的较少而较少， 并趋向于 1。 但消光系数随着波数的减少而增加。 我们可以看到折射率的最大值是 2.17。此外，消光系数在很高的波数下是非常小 的，在此区域 BLT 薄膜几乎是透明的。 BLT 薄膜拟合的参数值如下： 表 1. 拟合参数值 图 11. BLT 薄膜的介电常数和 n，k 的光谱 从以上我们可以看出利用椭圆偏振光谱仪可以得到 BLT 薄膜的光学常数。 我们是在 800-4000cm-1范围内， 70和 75入射角， 三相模型拟合赝电介质函数得 到的。BLT 薄膜的拟合厚度是 326.7nm。 3.5 椭圆偏振光谱的优点椭圆偏振光谱

14、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。 3.6 椭圆偏振光谱的发展前景椭圆偏振光谱的发展前景 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

15、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。 参考文献 1 Z. G. Hu and P. Hess, Optical constants and thermo-optic coefficients of nanocrystalline diamond films at 30500C, Appl. Phys. Lett. 89, 081906 (2006) 2 Z. G. Hu, Infrared optical properties of Bi3.25La0.75Ti3O12 ferroelectric thin films using spectroscopic ellipsometry, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) 32213224 3 Z. G. Hu, Structure and Optical Properties of Ferroelectric PbZr0.40Ti0.60O3 Films Grown on LaN