《薄膜材料的表征》PPT课件

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1、第四章薄膜材料的表征也称薄膜材料的研究方法薄膜材料在应用之前，对其进行表征是很重要的，一般包括薄膜厚度的测量、薄膜形貌和结构的表征、薄膜的成分分析，这些测量分析结果也正是薄膜制备与使用过程中普遍关心的问题。薄膜研究的方法很多，它们分别被用来研究薄膜的结构、组分和物理性质。研究结构的衍射方法包括X射线衍射、电子衍射、反射高能电子衍射、低能电子衍射、氦原子散射等。观察显微图像的方法有：透射电子显微术、反射电子显微术、低能电子显微术，利用微电子束扫描而成的扫描电子显微术和1981年发明的扫描探针显微术。材料组分分析方法主要有电子束激发的X射线能谱、俄歇电子能谱、光电子能谱、二次离

2、子质谱(SIMS)、离子束的卢瑟福背散射谱等。对薄膜材料性能进行检测的手段很多，它们分别被用来研究薄膜的结构、组分和物理性质。随着薄膜材料应用的多样化，其研究手段和对象也越来越广泛。特别是对各种微观物理现象利用的基础上，发展出了一系列新的薄膜结构和成分的检测手段，为对薄膜材料的深入分析提供了现实的可能性。第一节薄膜厚度的测量薄膜的厚度是一个重要的参数。厚度有三种概念：几何厚度、光学厚度和质量厚度几何厚度指膜层的物理厚度。表4.1薄膜厚度测量方法一、薄膜厚度的光学测量法薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方法，因为光学方法不仅可被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄膜，不仅使用方便，

3、而且测量精度较高。这类方法所依据的原理一般是不同薄膜厚度造成的光程差引起的光的干涉现象。1．光的干涉条件首先研究一层厚度为d、折射率为n的薄膜在波长为λ的单色光源照射下形成干涉的条件。显然要想在P点观察到光的干涉极大，其条件是直接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束之间的光程差为光波长的整倍数。图4.1薄膜对单色光的干涉条件薄膜对单色光的干涉条件其中，N为任意正整数，AB、BC和AN为光束经过的线路长度（它们分别乘以相应材料的折射率即为相应的光程），θ为薄膜内的折射角，它与入射角之间满足折射定律干涉极小的条件观察到干涉极小的条件是光程差等于(N+1/2)λ。但在实际使用式

4、（4.1）时，还要考虑光在不同物质界面上反射时的相位移动。具体来说，在正入射和掠入射的情况下，光在反射回光疏物质中时光的相位移动相当于光程要移动半个波长，光在反射回光密物质中时其相位不变。而透射光在两种情况下均不发生相位变化。2．不透明薄膜厚度的测量如果被研究的薄膜是不透明的，而且在沉积薄膜时或在沉积之后能够制备出待测薄膜的一个台阶，那么即可用等厚干涉条纹或等色干涉条纹的方法方便地测出台阶的高度。图4.2等厚干涉条纹法测量薄膜厚度示意图等厚干涉条纹法出现光的干涉极大的条件为薄膜（或衬底）与反射镜之间的距离S引起的光程差为光波长的整数倍，即等厚干涉条纹法反射镜与薄膜间倾斜造成

5、的间距变化以及薄膜上的台阶都会引起光程差S的不同，因而会使从显微镜中观察到的光的干涉条纹发生移动，如图4.2(b)所示。由上式可得，反射镜与薄膜间的间距差所造成的相邻条纹的间隔应满足条件因此，条纹移动所对应的台阶高度应为等色干涉条纹法等色干涉条纹法与上一方法的实验装置基本相同，但也稍有不同。这一方法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要使用非单色光源照射薄膜表面，并采用光谱仪分析干涉极大出现的条件。这样，不再出现反射镜倾斜所引起的等厚干涉条纹，但由光谱仪仍然可以检测到干涉极大。相邻两次干涉极大的条件为：3．透明薄膜厚度的测量对于透明薄膜来说，其厚度也可以用上述的等厚干涉法进行测

6、量，这时仍需要在薄膜表面制备一个台阶，并沉积上一层金属反射膜。但透明薄膜的上下表面本身就可以引起光的干涉，因而可以直接用于薄膜的厚度测量而不必预先制备台阶。但由于透明薄膜的上下界面属于不同材料之间的界面，因而在光程差计算中需要分别考虑不同界面造成的相位移动。透明薄膜厚度测量的干涉法在薄膜与衬底均是透明的且它们的折射率分别为n1和n2的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1d的变化而发生振荡，如图4.3所示，n1不同而n2=1.5时，若n1>n2，反射极大的位置出现在图4.3透明薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度的变化曲线透明薄膜厚度测量的

7、干涉法式中，为单色光波长，m为任意非负的整数。在两个干涉极大之间是相应的干涉极小。若n1