[發明專利]一種超薄膜光學常數快速測量方法

有效

• 申請號: 201910315604.8
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN110118754B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 谷洪剛;劉世元;祝思敏;宋寶坤;江浩;陳修國
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明屬于超薄膜光學性質測量表征研究領域，并具體公開了一種超薄膜光學常數快速測量方法，其包括如下步驟：S1利用照射至待測超薄膜光源的p光幅值反射系數r_p和s光幅值反射系數r_s表達超薄膜材料的幅值反射系數比S2對以2πd_f/λ為變量在d_f＝0處進行二階泰勒展開獲得二階近似形式；S3對二階近似形式進行合并簡化及替換處理將其轉化為一元四次方程；S4對一元四次方程進行求解獲得超薄膜材料光學常數的多個解，并通過條件判斷獲得正解，以此完成超薄膜光學常數的快速測量。本發明可實現超薄膜光學常數的快速測量，具有測量快速、測量準確等優點。

技術領域

本發明屬于超薄膜光學性質測量表征研究領域，更具體地，涉及一種超薄膜光學常數快速測量方法。

背景技術

隨著光電技術等的快速發展，薄膜的應用范圍逐步擴大，許多厚度只有幾十甚至幾個納米的超薄膜成為當前的研究熱點。而超薄膜的光學常數在基礎科學研究和納米光學器件設計及優化方面十分關鍵，且超薄膜的光學常數會隨厚度、制備條件等發生改變，不能簡單使用現有文獻或數據庫中的信息。因此，實現對超薄膜光學常數的快速準確測量具有十分重要的意義。

薄膜的光學常數測量表征方法主要包括光度法，棱鏡耦合法，干涉法，橢偏法等。光度法基于分光光度計測量薄膜的透射率和反射率來確定薄膜的厚度，分為包絡線法、全光譜擬合法等，其中包絡線法是最為常用的一種，但是一般要求薄膜較厚，對于超薄膜并不合適；棱鏡耦合法是通過在薄膜樣品表面放置一塊耦合棱鏡，將入射光導入被測薄膜，檢測和分析不同入射角的反射光，確定波導膜耦合角，從而求得薄膜厚度和折射率的一種接觸測量方法，其測量的厚度也達不到超薄膜的尺度范圍。干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉條紋的原理來確定薄膜折射率，也存在與上述方法同樣的問題。橢偏法測量具有無損非接觸、靈敏度高、精度高等優點，其對厚度的靈敏度可以達到0.01nm，但是橢偏法是一種非直接測量方法，需要通過計算機擬合才能求得薄膜的厚度和光學常數(包括折射率和消光系數)。橢偏測量是一種間接測量方法，通過測量光入射到樣品表面前后偏振態的變化來對樣品的幾何參數和光學性質進行探測，測量結果需要與光學模型通過算法進行擬合來獲取光學常數。常見的擬合方法包括點對點法和振子模型擬合法等，其中點對點法要給定初值，需對超薄膜的光學常數有比較準確估值，否則容易陷入局部最優解，無法解出正確的光學常數；振子模型擬合法采用洛倫茲等振子，需要預先了解超薄膜的電子躍遷信息，匹配測量數據獲得超薄膜的光學常數，對于超薄膜，其電子躍遷等性質往往不夠了解，為振子擬合過程引入誤差。可見，實現超薄膜光學常數的測量是現有測量技術中的一個難點。

針對上述難題結合超薄膜的幾何性質，一些研究人員提出了基于幅值反射系數比ρ的泰勒展開近似直接計算方法，2017年愛沙尼亞的Peep Adamson(A new ellipsometricapproach for determining dielectric function of graphene in the infraredspectral region.Journal of Modern Optics,2017,64(3):272-279.)針對透明基底上的石墨烯及類似材料對橢偏參數的幅值反射系數比ρ進行一階近似，通過對近似公式進行求解，得到折射率和消光系數的計算公式，并對紅外波段的石墨烯進行了仿真計算；2018年韓國的Gwang-Hun Jung等(Measuring the optical permittivity of two dimensionalmaterials without a priori knowledge of electronic transitions[J].Nanophotonics.2018.)采用類似的方法對p光和s光的幅值反射系數之比ρ進行一階求導，通過求解一階方程得到超薄膜的折射率和消光系數計算公式，并對藍寶石基底上的二維材料二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢薄膜進行了測量計算，驗證了該方法在波長較長的波段、無先驗知識的情況下，可以較為準確的計算超薄膜的光學常數。上述兩方法為超薄膜光學常數的確定提供了新思路，但也都存在計算波段有限的缺陷，對紫外波段等較短波長范圍內的光學常數計算結果會出現較大誤差。