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1、合肥学院学报(自然科学版)JournalofHefeiUniversity(NaturalSciences)2007年2月第17卷第1期Feb.2007Vol.17No.1椭偏仪的原理和应用余平,张晋敏(贵州大学计算机科学与工程学院,贵阳550025)摘要:椭偏术是一种利用线偏振光经样品反射后转变为椭圆偏振光这一性质以获得样品的光学常数的光谱测量方法.椭偏仪主要用来测量薄膜材料或块体材料的光学参数和厚度的仪器.关键词:椭偏仪;光学参数;薄膜;偏振Drude模型中图分类号:O433.1文献标识码:A文章编号:1673-162X(2007)01-008
2、7-04采用光学方法可以对许多固体材料的宏观和微观物理性质进行深入研究,其中最直接的方法就是测量材料的光学常数随光子能量或波长的变化关系,从而与微观机理相联系,来认识和理解光与物质相互作用的本质.椭偏光谱不直接测算光强,而是从相位空间寻找材料的光学信息.椭圆偏振测量法由于其测量精度高、非破坏性而被广泛应用于薄膜的各种特性的测量.1原理偏振光波通过介质时与介质发生相互作用,这种相互作用将改变光波的偏振态,测出这种偏振态的变化,进而进行分析拟合,得出我们想要的信息.用薄膜的椭圆函数ρ表示薄膜反射线形成椭圆偏振光的特性,即ρ=rprpj(wp-ws)Δj
3、e=tanψe,rsrs式中:tanψ表示反射光的两个偏振分量的振幅系数之比,ψ称偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量.椭偏仪数据处理模型的建立是至关重要的一步,如果不能建立一个与参数匹配良好的模型,前面的测试就毫无意义,甚至如果建立一个错误的模型,其结果将与真实值南辕北辙,误导我们的实验.下面列出几种材料的物理模型.1.1NK模型它用于已知组分的同类多层膜.1.2柯西模型它适用于透明材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、ITO、KCl等.我们用Cauchy公式表Aj达材料在透明波段的光学
4、常数具有较高的精确度:n(λ)=A0+∑2j,其中Aj为经验参数.j=1λ1.3柯西指数模型它与柯西模型不同的是吸收系数随频率指数变化,它适用于碱卤化物,碱土金属的氟化物、氧化物和半导体(可见光和红外波段的Si,GaAs)等.1.4Sellmeier模型非常适用于透明材料和吸收材料,如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、ITO、KCl等,处于红外波段的Ge、Si、GaAs;材料在透明波段的光学常数具有较高的精确度.对于电子跃迁,当光波能量远22Sj高于带隙时,同时考虑电子和晶格的贡献:ε(E)-1=n(E)-1=∑22.这就是Sel
5、meier色散公jEj-E222Ajλ式,实际应用中用波长代替能量作为参量:n(λ)=1+∑22.jλ-λj1.5EMA(有效介质)模型有效介质模型应用于两种或两种以上的不同组份合成的混合介质体系,多达5种不同材料组成的混合材料、多晶膜、金属膜、表面粗糙的膜、多孔膜、不同材料或合金的分界收稿日期:2005-12-16修回日期:2007-01-10基金项目:贵州省大学生创业基金项目(701059101)资助.作者简介:余平(1980—),女,安徽淮北人,贵州大学计算机科学与工程学院2004级研究生.88合肥学院学报(自然科学版)第17卷面、不完全起反
6、应的混合材(TiSi、WSi)、无定形材料和玻璃;其基本思想是将混合介质当作一种在特定的光谱范围内具有单一有效介电常量张量的“有效介质”,是把均匀薄膜的微观结构与其宏观介电常数相联系.它包含3种有效介质模型:1.5.1Lorentz-Lorenz有效介质模型最简单的异构介质是介电函数分别为εa和εb的两种介质随机地ε-1εa-1εb-1混合在一起,其有效介电函数可以用=fa+fb估算,式中fa,fb为介质的份额,fa十fb=1.ε+2εb+2εb+21.5.2Maxwell-Garnett有效介质模型上一模型假设主介质为真空,即ε=1.更一般的情况
7、是主介质ε-εaεb-εa的介电函数是εh,次要介质分散于主介质中,当εh=εa时,有效介质函数ε为=fb.ε+2εaεb+2εa[1]1.5.3Bruggeman有效介质模型如果不同成分混杂在一起,不能区分谁是主介质,这时采用Brugge2εj-εman有效介质模型:∑fjε=0.fj为第j种介质所占的体积份额,且∑fj=1.在拟合实验数据时,有jj+2ε时会出现fj<0或fj>1,这时显然有效介质近似是不合适的,或物质的组成模型与实际不符.有效介质模型通常用于薄膜的粗糙表面和过渡层的分析.1.6Graded模型和EMA模型相似,适用于两种材料的
8、混合材料,但层内不同深度的混合比是确定的.1.7Drude模型主要用于金属自由电子气、硅化物和半导体等材料中的载流子吸收等
