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1、CH4-4 薄膜的光学性质Optical properties of thin films主要内容主要内容4.4.1薄膜光学的发展历史薄膜光学的发展历史4.4.2薄膜光学的基本性质薄膜光学的基本性质4.4.3薄膜光学的测试技术薄膜光学的测试技术光学是什么？ 光学是一门研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。所谓所谓光学薄膜光学薄膜，是指在透明平整的基片或金属，是指在透明平整的基片或金属光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的单层光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的单层或多层或多层透明透明介质薄膜。介质薄膜。一般情况下一般情况下,可以把光波作为电磁波看待，光波可以把光波作为电磁
2、波看待，光波波长：波长：光的本质是电磁波光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播光的传播实际上是波动的传播光光是是一一种种电电磁磁波波，（在真空中的）可见光波长范围是700400nm ；红外光为约700 到107nm量级;紫外光1-400nm； 比 紫 外 光 短 的 还 有 X射 线 、 射 线（nn2 2, ,增反膜；增反膜；1/41/4波长时，波长时，n n1 1nn2 2, ,增透膜。增透膜。单层增透膜的缺点：单层增透膜的缺点：增透带宽窄增透带宽窄; ; 材料限制材料限制p单层增透膜单层增透膜可见当厚度为某一波长可见当厚度为某一波长1/4，并且，并且r1=r2时剩余反射为零：时剩余反
3、射为零：2、增透（减反）膜、增透（减反）膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质p双层增透膜双层增透膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质p多层增透膜多层增透膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质3、增反膜、增反膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质这这种种膜膜系系之之所所以以能能获获得得高高反反射射率率，从从多多光光束束干干涉涉原原理理看看是是容容易易理理解解的的：根根据据平平板板多多光光束束干干涉涉的的讨讨论论，当当膜膜层层两两侧侧介介质质的的折折射射率率大大于于(或或小小于于)膜膜层层的的折折射
4、射率率时时，若若膜膜层层的的诸诸反反射射光光束束中中相相继继两两光光束束的的相相位位差差等等于于(/4膜膜系系），则则该该波波长长的的反反射射光光获获得得最最强强烈烈的的反反射射。而而上上图图所所示示的的膜膜系系恰恰恰恰能能使使它它包包含含的的每每一一层层膜膜都都满满足足上上述述条条件件，所所以以入入射射光光在在每每一一膜膜层层上上都都获获得得强强烈烈的的反反射射，经经过过若若干干层层的的反反射射之之后后，入入射射光光就就几几乎乎全部被反射回去。全部被反射回去。这这种种膜膜系系的的优优点点是是计计算算和和制制备备工工艺艺简简单单，镀镀制制时时容容易易采采用用极极值值法法进进行行监监控控；缺缺点
5、点是是层层数数多多，R不不能能连连续续改改变变。目目前前发发展展了了一一种种非非/4膜膜系系，即即每每层层膜膜的的光光学学厚厚度度不不是是/4，具具体体厚厚度度要要由由计计算算确确定定。其其优优点点是是只只要要较较少少的的膜膜层层就就能能达达到到所所需需要要的的反反射射率率，缺缺点点是是计计算算和和制制备备工工艺艺较较复杂。复杂。4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质由图，若在基片由图，若在基片G上镀一层上镀一层/4的高折射率光学膜，其反射率为的高折射率光学膜，其反射率为是镀第一层膜后的等效折射率。若在高折射率膜层上再镀一层是镀第一层膜后的等效折射率。若在高折射率膜层上再
6、镀一层低折射率膜层，其反射率为低折射率膜层，其反射率为3、增反膜、增反膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质当膜层为偶数当膜层为偶数(2p)层时，层时，(HL)p膜系膜系当膜层为奇数当膜层为奇数(2p+1)层时，层时，(HL)pH膜系膜系3、增反膜、增反膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质下下表表列列出出了了多多层层膜膜的的等等效效折折射射率率、反反射射率率和和透透射射率率(不不计计吸吸收收)的的计计算算值值。计计算算数数据据为为：nA=1, nG=1.52, nH=2.3(ZnS),nL=1.38(MgF2)。多层膜的反射率和透射率多层膜的反
7、射率和透射率由上述计算结果可见：由上述计算结果可见： 要要获获得得高高反反射射率率，膜膜系系的的两两侧侧最最外外层层均均应应为为高高折折射射率率层层(H(H层层) )， 因此，高反射率膜一定是奇数层。因此，高反射率膜一定是奇数层。 /4/4膜系为奇数层时，膜系为奇数层时， 层数愈多，反射率层数愈多，反射率R R愈大。愈大。 上上述述膜膜系系的的全全部部结结果果只只对对一一种种波波长长成成立立，这这个个波波长长称称为为该该膜膜系系的的中中心心波波长长。当当入入射射光光偏偏离离中中心心波波长长时时，其其反反射射率率要要相相应应地地下下降降。因因此此，每每一一种种/4/4膜膜系系只只对对一一定定波波
8、长长范范围围的的光光才才有有高高反反射射率，如下图所示。率，如下图所示。3、增反膜、增反膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质几种不同层数的几种不同层数的/4膜系的反射率曲线膜系的反射率曲线随着膜系层数随着膜系层数的增加，高反的增加，高反射率的波长区射率的波长区趋于一个极限，趋于一个极限，所对应的波段所对应的波段称为该反射膜称为该反射膜系的反射带宽。系的反射带宽。3、增反膜、增反膜4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质4、金属反射膜、金属反射膜金属反射膜的特点：1）反射带宽比较宽；2）对入射角不敏感；3）反射率比较低；4）容易受损伤。金属反射膜的常
9、用材料：1）铝膜；2）银膜；3）金膜；4）铜膜。铝膜 从紫外到红外都有较高的反射率(88%)； 牢固、稳定（铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化铝膜）。 保护层材料：氟化镁或氟化锂（紫外），一氧化硅或氧化铝（可见和红外）银膜 在可见光区和红外区都具有高的反射率(95%)； 在倾斜使用时引入的偏振效应较小； 与玻璃基片的黏附性很差，同时易受硫化物的影响而失去光着，故使用寿命较短。保护层材料：一氧化硅（抗潮气）和氧化铝组合金膜 在红外区具有高的反射率(95%)； 与玻璃基片的黏附性差，常用铬膜作为衬底。用离子束轰击辅助可提高金膜和玻璃基质的附着力度； 强度和稳定性都比银膜好。 不能擦洗。金属介质反射
10、膜在金属高反膜表面镀介质膜，其作用为：4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质1） 对金属膜层起到保护作用。 在金属层和基质之间增加与金属层和基质之间都有较好附着能力的过渡层； 在金属膜层表面加镀高硬度透明膜层。 2） 提高反射率，但减少了带宽。 在金属膜层表面加镀(LH)S膜堆(99%)偏振中性分束膜1）应用场合;2）种类及其特点；2）常见膜层设计思路。1、2、4、8、16、32、64、128nm铝膜反射率的理论曲线4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质57917层反射膜光谱最高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加最高反射率随层数增加，而反射带宽并不
11、增加4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性质光学薄膜的基本性质4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能设均匀不带电的介质的复折射率为 ，磁导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材料，相对磁导率mr=1)，介电常数e=ere0，电导率s，则光（频率为w）在中传播时，有以下关系：以上公式中n0为折射率，k为消光系数。u反射率反射率当光照射到介质的界面时，或多或少会发生反射。反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从空气垂直人射到介质表面时，可以得出反射率R为对于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于k很大，R很
12、接近于1。 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 透射率透射率在介质的界面上，除了光的反对外，还有光的透射，透射光强与入射光强之比称为透射率。若不考虑光的吸收，则在界面上透射率T与反射率满足下式： T=1-R一般情况下，光透过一定厚度的介质时，透射率与反射率之间有以下的关系： 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 吸收系数吸收系数上式中的a称为吸收系数，它与消光系数的关系为吸收系数的物理意义：光在介质中传播距离1/a时，光的强度衰减到原来的1/e。对于电介质材料，消光
13、系数趋于，光在这类材料中没有被吸收，因此材料是透明的。在金属和半导体中，消光系数不为0，即存在光吸收，光的强度随着透入深度的增加按指数规律衰减，即 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 半导体的光吸收半导体的光吸收 半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。以上各种吸收引起不同的吸收过程。4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的
14、基本性能u 本征吸收本征吸收在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，称为本征吸收或基本吸收这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能Burstein-Moss effectu 吸收谱与吸收边吸收谱与吸收边吸收系数对光子能量（或波长）的依赖关系称为吸收谱。本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半
15、导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 直接跃迁直接跃迁电子在跃迁过程中，除了能量必须守恒外，还必须满足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k和k，则应有若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。这种跃迁过程相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。对下图那样的能带结构，直接跃迁的吸收系数为这种能带结构称为直接能隙半导体材料。 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射
16、4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 直接跃迁直接跃迁- -由吸收谱求能隙宽度由吸收谱求能隙宽度a2与的关系为一直线，将此直线外推到a=0处，可得出禁带宽度Eg。4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能ZnO filmZnO film4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 间接跃迁间接跃迁若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。推论：除了竖直跃迁之外，还存在另一类跃
17、迁过程：由价带顶向具有不同值的导带底的跃迁。 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能在这种跃迁过程中，电子的准动量变化很大。由于光子的动量很小，所以必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒。设声子的波矢为，略去光子的动量，准动量守恒由下式给出：如果用表示声子的能量，则能量守恒可表示为 光子波矢电子波矢4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 吸收系数吸收系数在以上二式中，正号和负号分别对应于吸收和发射声子的过程。这种除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃
18、迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。由于声子的能量很小，一般不超过百分之几电子伏特，所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度。 4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能u 吸收谱线吸收谱线不难看出，如果以 为纵坐标，以光子能量为横坐标，则吸收谱线应为两条直线对应横坐标上的两个截距，分别为Eg-Ep和Eg+Ep。由此可以求出禁带宽度和声子的能量。 4、薄膜的吸收与散射、薄膜的吸收与散射4.4.2 4.4.2 光学薄膜的基本性能光学薄膜的基本性能4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术p薄膜光学参数(n和d)测试；p薄膜透射光谱测试；p薄膜反射光谱
19、测试；p光学损耗(吸收和散射)检测技术。一、一、 薄膜光学参数测试薄膜光学参数测试-n和和dp设计光学薄膜器件时采用块状体材料的折射率；p制备工艺条件对其折射率影响比较大；p因此需要详细确定薄膜n在不同工艺条件下的值；p折射率表现出的性质：p常用测量方法折射率随厚度的变化，即折射率的各向异性；折射率的微弱吸收(很小的吸收系数k)；消光系数的不均匀性与各向异性；1.光度法：根据反射率或透射率来确定光度法：根据反射率或透射率来确定n；2.椭圆偏振法：利用偏振光的偏振性能来确定；椭圆偏振法：利用偏振光的偏振性能来确定；3.布儒斯特角法：利用布儒斯特原理来测试。布儒斯特角法：利用布儒斯特原理来测试。4
20、.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术p基本原理对于理想光学薄膜，光学厚度为/2的整数倍处，透射率和反射率等于光洁基板的值；而在薄膜光学厚度为/4时，反射率正好是极值；如果薄膜折射率nfns，反射率将是极小值；如果薄膜折射率nfns，反射率将是极大值；T, R一、一、 薄膜光学参数测试薄膜光学参数测试-n和和d4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术1. 光度法测薄膜光度法测薄膜-n和和dGlass/10H/Air膜系对应的曲线膜系对应的曲线H=Al2O3位相厚度为该波长的/2的奇数倍时位相厚度为该波长的/2的偶数倍时从相邻的极值波长中可以求得薄膜的几何
21、厚度；设1和2是两个相邻的极值波长(12):可得：4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术1. 光度法测薄膜光度法测薄膜-n和和d4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术2. 椭圆偏振法测薄膜椭圆偏振法测薄膜-n和和d4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术2. 椭圆偏振法测薄膜椭圆偏振法测薄膜-n和和d4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术2. 椭圆偏振法测薄膜椭圆偏振法测薄膜-n和和d椭圆偏振仪实物图椭圆偏振仪实物图待测样品nB低低nA高高I0暗亮4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术3
22、.布儒斯特布儒斯特法测薄膜法测薄膜-n二、二、 光谱分析技术测试薄膜透射和吸收光谱分析技术测试薄膜透射和吸收4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术性能Lamda900PECary 5000岛津UV365Hitachi 4100光谱1753330175333019025001853330分辨率0.08nm0.1nm0.1nm0.1nm透射精度0.000080.00030.0010.0003反射测试可以可以可以偏振测试可以可以可以几种光谱分析仪器比较几种光谱分析仪器比较p紫外-可见光分光光度计p红外吸收光谱pRaman光谱p椭偏仪二、二、 光谱分析技术测试薄膜透射和吸收光谱分
23、析技术测试薄膜透射和吸收4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术 分子中的某些基团吸收了紫外可见辐射光后，发生了电子能级跃迁，而产生了相应的吸收光谱。属分子吸收光谱。 紫外-可见吸收光谱分析是研究物质在紫外-可见光波下的分子吸收光谱的分析方法。 紫外-可见区可细分为： （1）10-200nm；远紫外光区 （2）200-400nm；近紫外光区 （3）400-800nm；可见光区l紫外吸收光谱紫外吸收光谱4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术 紫外紫外可见分光光度计可见分光光度计4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振- -转光谱辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构4.4.3 4.4.3 光学薄膜的测量技术光学薄膜的测量技术l红外吸收光谱红外吸收光谱
