[發明專利]一種超薄金屬薄膜紅外光學常數的表征方法

有效

• 申請號: 202011012332.3
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112285063B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 楊霄;劉華松;劉丹丹;姜玉剛
• 申請（專利權）人: 天津津航技術物理研究所
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01N21/59
• 代理公司: 天津市鼎拓知識產權代理有限公司 12233
• 代理人: 劉雪娜

本申請提供有一種超薄金屬薄膜紅外光學常數的表征方法，其通過制備特殊的超薄金屬薄膜光學常數表征樣品，增加樣品光譜特征，利用薄膜光學常數反演計算方法得到超薄金屬薄膜的精確紅外光學常數。該方法適用于厚度小于100nm的金、銀、鋁、鉻等常用金屬薄膜的精確紅外光學常數的表征，為含有超薄金屬薄膜材料的紅外薄膜的設計與制備提供了重要的技術支撐，該表征方法可獲取超薄金屬薄膜在紅外波段單點或寬帶的光學常數，有效解決紅外波段金屬?介質薄膜設計中金屬膜層參數不準確的問題。

技術領域

本申請具體公開一種超薄金屬薄膜紅外光學常數的表征方法。

背景技術

超薄金屬薄膜相比于介質薄膜，具有更大的折射率和消光系數，在現代薄膜設計中廣泛應用于反射濾光片、誘導透射濾光片、衰減片等金屬-介質復合光學薄膜元件中。在上述薄膜設計的過程中，必須嚴格匹配金屬與介質膜層間的光學常數與各膜層厚度。而超薄金屬膜由于其厚度往往小于金屬的平均電子自由程，其光學常數與其厚度呈一定相關性，即不同厚度下的超薄金屬薄膜具有不同的光學常數。

完成一次可靠的金屬-介質薄膜設計的前提就是獲取一定厚度下金屬薄膜的準確光學常數。但是，由于超薄金屬薄膜厚度很小(80nm)，當其應用于紅外波段時，將遠小于作用波長(2000nm)，其紅外透、反射光譜無明顯特征，因此常規的通過紅外透、反射光譜反演的方法無法準確獲取其紅外光學常數。此外，為了獲取其光學常數而制備的單層金屬薄膜樣品置于空氣中，金屬薄膜會與空氣中的氧氣、水蒸氣發生反應，進一步影響其光學常數測試結果的準確性。

發明內容

鑒于現有技術中的上述缺陷或不足，本申請旨在提供一種相較于現有技術而言，能夠便于準確地獲取其紅外光學常數的超薄金屬薄膜紅外光學常數的表征方法。

一種超薄金屬薄膜紅外光學常數的表征方法，包括以下步驟：

S1：制備超薄金屬薄膜表征樣品，所述樣品結構為：Sub/M?xH/Air；其中：Sub為基底；Air為空氣；M為超薄金屬薄膜層；H為紅外透明的介質膜；x為該介質膜的光學厚度；

S2：建立超薄金屬薄膜的Drude介電函數色散模型；

S3：建立超薄金屬薄膜表征樣品的薄膜干涉物理模型；

S4：測量超薄金屬薄膜表征樣品的反射率光譜和透射率光譜。

S5：以測得的反射率光譜和透射率光譜為目標，基于薄膜干涉物理模型，使用薄膜光學常數反演計算方法，結合薄膜光學常數反演計算的評價函數獲得超薄金屬薄膜表征樣品中超薄金屬薄膜的厚度和光學常數。

根據本申請實施例提供的技術方案，所述薄膜光學常數反演計算的評價函數如下：

其中：MSE是測量值與理論模型計算值的均方差，N為測量波長的數目，M為變量個數，和分別為i個波長光譜透過率和光譜反射率的測量值，和分別為i個波長光譜透過率和光譜反射率的計算值，和分別為i個波長光譜透過率和光譜反射率的測量誤差。

根據本申請實施例提供的技術方案，步驟S3中，利用步驟S1中Sub基底的光學常數、H層介質膜的光學常數和步驟S2中建立的M層超薄金屬薄膜的Drude介電函數色散模型構建薄膜干涉物理模型。

根據本申請實施例提供的技術方案，所述H為Ge、ZnS、Al₂O₃、YbF₃、MgF₂中的任意一種。

根據本申請實施例提供的技術方案，所述Sub為Si、Ge、ZnS、ZnSe中的任意一種。