氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究解读

实验十四椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的发展中．实验目的(1) 了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；(2) 初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量．实验原理椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性．图1 光在薄膜中的多次反射和折射情况图1所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为n1的空气(或真空)．中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉．其干涉结果反映了膜的光学特性．设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有n1sinφ1=n2sinφ2＝n3sinφ3 （1）光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的s 分量．若用E ip和E is分别代表入射光的p和s分量，用E rp及E rs分别代表各束反射光K0，K1，K2，…中电矢量的p分量之和及s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数R p 和R s 定义为R P ＝E rp /E ip , R s =E rs /E is （2） 经计算可得式中，r 1p 或r 1s 和r 2p 或r 2s 分别为p 或s 分量在界面1和界面2上一次反射的反射系数．2δ为任意相邻两束反射光之间的位相差．根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，可以证明r 1p =tan(φ1-φ2)/ tan(φ1+φ2), r 1s =-sin (φ1-φ2)/ sin(φ1+φ2)； r 2p =tan(φ2-φ3)/tan(φ2+φ3), r 2s =-sin (φ2-φ3)/ sin(φ2+φ3)． (4) 式（4）即著名的菲涅尔（Fresnel ）反射系数公式．由相邻两反射光束间的程差，不难算出122122224π4π2ϕλϕλδsin cos n n dn d-==． (5)式中，λ为真空中的波长，d 和n 2为介质膜的厚度和折射率．在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和Δ来描述反射光偏振态的变化．它们与总反射系数的关系定义为上式简称为椭偏方程，其中的ψ和Δ称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）．由式(1),式(4),式(5)和上式可以看出，参数ψ和Δ是n 1，n 2，n 3，λ和d 的函数．其中n 1，n 2，λ和φ1可以是已知量，如果能从实验中测出ψ和Δ的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n 2和厚度d ．这就是椭圆偏振法测量的基本原理．实际上，究竟ψ和Δ的具体物理意义是什么，如何测出它们，以及测出后又如何得到n 2和d ，均须作进一步的讨论．2 ψ和Δ的物理意义用复数形式表示入射光和反射光的p 和s 分量E ip =|E ip |exp(iθip )， E is =|E is |exp(iθis )；E rp =|E rp |exp(iθrp ) ， E rs =|E rs |exp(iθrs )． （6）ipi p p i p p rp E er r e r r E δδ2212211--++=isi s s i s s rs E er r e r r E δδ2212211--++=))((1))(1(/.22s 1s 221221221δ-δ-δ-δ-++++==ψi i p p i s s i p p s p i Δr r r r r r r r R R e e e e e tan （3）式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各θ值为相应界面处的位相．由式（6）,式（2）和式（7）式可以得到{})]()[(|||E ||||E |is ip rs rp ip rs is rp i Δi E E e θ-θ-θ-θ=⋅ψexp tan ． （7）比较等式两端即可得tan ψ=|E rp ||E is |╱|E rs ||E ip | （8） Δ=(θrp –θrs )- (θip –θis ) （9）式（8）表明，参量ψ与反射前后p 和s 分量的振幅比有关．而（9）式表明，参量Δ与反射前后p 和s 分量的位相差有关．可见，ψ和Δ直接反映了光在反射前后偏振态的变化．一般规定，ψ和Δ的变化范围分别为0≤ψ<π /2和0≤Δ<2π．当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光(除开ψ<π／4且Δ=0的情况)．为了能直接测得ψ和Δ，须将实验条件作某些限制以使问题简化．也就是要求入射光和反射光满足以下两个条件：（1）要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即P 和S 二分量的振幅相等）．这时，|E ip |/|E is |=1,式（9）则简化为tan ψ=|E rp |/|E rs | ． （10） （2）要求反射光为一线偏振光．也就是要求θrp –θrs =0（或π），式（９）则简化为)(is ip Δθ-θ-= （11）满足后一条件并不困难．因为对某一特定的膜，总反射系数比R p /R s 是一定值．式（6）决定了⊿也是某一定值．根据（9）式可知，只要改变入射光二分量的位相差（θip –θis ），直到其大小为一适当值（具体方法见后面的叙述），就可以使（θip –θis ）=0（或π），从而使反射光变成一线偏振光．利用一检偏器可以检验此条件是否已满足．以上两条件都得到满足时，式（10）表明，tan ψ恰好是反射光的p 和s 分量的幅值比，ψ是反射光线偏振方向与s 方向间的夹角，如图15.2所示．式（11）则表明，Δ恰好是在膜面上的入射光中s 和s 分量间的位相差．3 ψ和Δ的测量实现椭圆偏振法测量的仪器称为椭圆偏振仪（简称椭偏仪）．它的光路原理如图3所示．氦氖激光管发出的波长为 632. 8 nm 的自然光，先后通过起偏器Q ，1/4波片C 入射在待测薄膜F 上，反射光通过检偏器R 射入光电接收器T ．如前所述，p 和s 分别代表平行和垂直于入射面的二个方向．快轴方向f ，对于负晶体是指平行于光轴的方向，对于正晶体是指垂直于光轴的方向。

SiO2与TiO2光学薄膜的制备及其椭偏测量SiO2 and TiO2 Preparation and elliptic partial measurement of the optical film摘要随着薄膜技术在信息存储、电子元器件、航天技术以及光学仪器等方面的越来越广泛的应用,薄膜光学参数(折射率n、吸光系数k和薄膜厚度d)的准确测量逐渐成为薄膜研究的重要方向。

在本文中，选择性能比较优异的SiO2、TiO2光学薄膜为研究对象，它们具有非常高的化学稳定性和机械强度性能，通过溶胶-凝胶法，用硅酸乙酯、钛酸丁酯分别配制成SiO2、TiO2薄膜。

然后用SC630全自动椭圆偏振光谱仪测量这两种光学薄膜的参数性能。

通过分析得出控制测量角度，使得测量所得的薄膜的折射率和吸光系数更加精确；调节提拉速度和溶液的溶度来控制薄膜的厚度。

用上述方法制备薄膜，简单容易，所需要的设备少，同时耗资也少。

用椭圆偏振法测量薄膜的参数性能，操作简单，快捷方便。

关键词：光学薄膜；薄膜制备；椭圆偏振仪；椭偏测量目录摘要 (I)1 绪论 (1)1.1 光学薄膜的概述 (1)1.2 光学薄膜的发展现状 (2)1.2.1 光学薄膜在国外的发展现状 (2)1.2.2 光学薄膜在国内的发展现状 (2)1.3 光学薄膜的特点及性能 (2)1.3.1 光学薄膜的特点 (2)1.3.2 光学薄膜的性能 (2)1.4 光学薄膜的椭偏测量 (3)1.4.1 椭圆偏振原理 (3)1.4.2 椭圆偏振仪概述 (4)1.4.3椭圆偏振仪系统结构及其优点和特点 (5)1.4.4 椭圆偏振的发展现状 (6)1.4.5 椭圆偏振仪的应用 (7)1.5 研究的主要内容 (8)2 实验设计 (10)2.1 实验药品和仪器 (10)2.2 SiO2与TiO2光学薄膜的制备 (10)2.2.1 SiO2光学薄膜的制备 (10)2.2.1 TiO2光学薄膜的制备 (11)2.3 SiO2与TiO2光学薄膜的椭偏测量 (12)2.3.1 SC630全自动椭圆偏振光谱仪的操作 (12)2.3.2 SiO2与TiO2光学薄膜的参数测量 (14)3 结果与讨论 (15)3.1 SiO2光学薄膜的测量数据的处理 (15)3.1.1 实验数据处理 (15)3.1.2 实验数据分析 (15)3.2 TiO2光学薄膜的测量数据的处理 (21)3.2.1 实验数据处理 (21)3.2.2 实验数据分析 (21)结论 (29)参考文献 (30)附录 (33)1 绪论光学薄膜，一种由薄的分层介质构成的，能够通过界面传播光束的一类光学介质材料，也是非常重要的光学元件。

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率1. 实验目的(1) 了解椭偏光法测量原理和实验方法； (2) 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法； (3) 测量介质薄膜样品的厚度和折射率。

2. 实验原理本实验介绍反射型椭偏光测量方法。

其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚度和折射率等。

2.1 椭圆偏振方程图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。

介质1为折射率为n 1的空气，介质2为一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，它均匀地附在复折射率为n 3的衬底材料上。

φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。

光波的电场矢量可分解为平行于入射面的电场分量（p 波）和垂直于入射面的电场分量（s 波）。

用(I p )i 和(I s )i 分别代表入射光的p 分量和s 分量，用(I p )r 和(I s )r 分别代表各反射光O p ，I p ，II p ···中电矢量的p 分量之和及各束反射光s 分量之和。

定义反射率（反射系数）r 为反射光电矢量的振幅与入射光电矢量的振幅之比。

则由菲涅耳公式，有 对空气-薄膜界面I ：r 1p =n 2cosφ1−n 1cosφ2n 2cosφ1+n 1cosφ2(1)r 1s =n 1cosφ1−n 2cosφ2n 1cosφ1+n 2cosφ2(2)对薄膜-衬底界面II ：r 2p =n 3cosφ2−n 2cosφ3n 3cosφ2+n 2cosφ3(3)r 2s =n 2cosφ2−n 3cosφ3n 2cosφ2+n 3cosφ3图1 薄膜系统的光路示意图I pO pI pII p根据折射定律，有n1sinφ1=n2sinφ2=n3sinφ3(5) 由图1，可算出任意两相邻反射光之间的光程差为l=2n2dcosφ2相应的相位差为2δ=360°λl于是可得δ=360°λd(n22−n12sin2φ1)12⁄(6)另一方面，由多束光干涉原理来考察空气-薄膜-衬底作为一个整体系统的总反射系数，以R p 和R s分别表示这个系统对p波和s波的总反射系数，则由图1可知，对p波，R p由O p，I p，II p···各级反射光叠加合成。

椭偏法测薄膜厚度实验报告椭偏法测薄膜厚度实验报告引言：薄膜厚度的测量在材料科学和工程领域具有重要的意义。

传统的测量方法往往需要破坏性测试或者复杂的设备，而椭偏法则提供了一种非接触、快速、准确的测量手段。

本实验旨在利用椭偏法测量薄膜的厚度，并探究其原理和应用。

实验方法：1. 实验材料准备：本实验使用了一块透明的玻璃基板和一层薄膜样品。

玻璃基板的折射率已知，而薄膜的厚度需要测量。

为了减少误差，实验前需确保样品表面无杂质和污染。

2. 椭偏仪器设置：将椭偏仪器与计算机连接，并进行校准。

校准过程中需要调整仪器的角度、光源强度和偏振片的角度，以确保测量的准确性。

3. 测量过程：将样品放置在椭偏仪器的样品台上，并调整样品位置，使其与光线垂直。

然后，通过椭偏仪器发送的光线照射到样品上，并通过光电探测器接收反射光。

仪器会自动记录光电探测器接收到的信号，并根据信号的变化计算出薄膜的厚度。

实验结果：根据实验数据的分析，我们得到了薄膜的厚度。

通过椭偏法的测量结果，我们可以得出以下结论：1. 椭偏法的优势：椭偏法作为一种非接触、快速、准确的测量手段，具有以下优势：- 非接触性：椭偏法不需要直接接触样品，避免了对样品的破坏。

- 快速性：椭偏法可以在短时间内完成测量，提高了工作效率。

- 准确性：椭偏法基于光学原理，具有较高的测量精度和可靠性。

2. 实验误差分析：在实验过程中，可能会存在一些误差，包括但不限于以下因素：- 光源的稳定性：光源的稳定性会影响到测量结果的准确性，因此需要选择稳定的光源。

- 样品表面的污染：样品表面的污染会影响到光的入射和反射，从而导致测量误差。

- 仪器的校准：仪器的校准对于测量结果的准确性至关重要，需要进行仔细的校准。

实验应用：椭偏法广泛应用于薄膜领域的研究和生产中。

其应用包括但不限于以下方面：1. 薄膜厚度测量：椭偏法可以用于测量各种材料的薄膜厚度，例如金属薄膜、氧化物薄膜等。

通过测量薄膜的厚度，可以评估材料的性能和质量。

氧化铟锡红外吸收原理氧化铟锡（ITO）薄膜是一种广泛应用于红外吸收领域的材料。

它由铟锡合金经过高温氧化而成，具有透明、导电、光学性能优异的特点。

ITO薄膜在红外吸收领域的应用主要是基于其光电特性。

下面将详细介绍ITO薄膜在红外吸收中的原理。

光电特性ITO薄膜含有大量自由载流子，其导电性能极强，可以吸收红外光，并将红外光能量转化为热能，即光伏效应。

此外，ITO薄膜的透光率高，可以将光线透过，从而放大光电转化效应。

光学吸收原理红外光可被分为中红外、远红外和极远红外三个波段。

其中，中红外波段的电磁波长为3~5μm，这个波段的红外辐射是常见的热辐射波段，因为大多数的热被辐射在这个波段。

远红外波段的电磁波长为8~14μm，这个波段的红外辐射是人类体温辐射的主要波段，也是红外成像技术的重要波段。

极远红外波段的电磁波长可达100μm以上，这个波段能够穿透云层和烟雾等障碍物，在卫星通讯和天文研究中应用广泛。

ITO薄膜在不同波段的红外光吸收能力不同。

在中红外波段，由于ITO薄膜的电阻率较低，因此可以吸收更多红外光。

在远红外波段，ITO薄膜的吸收能力较弱，需要使用更多的薄膜叠加来增强吸收。

在极远红外波段，ITO薄膜的吸收能力会降低，因此需要更厚的薄膜来吸收更多的红外光。

总的来说，ITO薄膜在红外吸收领域的应用原理主要是基于其导电和光学吸收特性。

当红外光射到ITO薄膜上时，电子会从基态跃迁到激发态，这样就会吸收能量。

吸收后的能量会被转化成热能，并且会进一步扩散到ITO薄膜之外的物质中。

因此，ITO薄膜可以用于红外成像、红外探测及其他红外吸收领域的应用。

实验五 椭偏光法测薄膜的折射率和厚度一、引言椭圆偏振测量术简称椭偏术。

它是利用光的偏振性质，将一椭圆偏振光射到被测样品表面，观测反射光偏振状态的变化来推知样品的光学常数。

就其理论范畴来讲，它与十涉法一样，都是利用光的波动性，以经典物理学为基础。

这种测量方法的原理早在上个世纪就提出来了，距今已有近百年的历史。

由于光波通过偏振器件及样品反射时，光波偏振状态变化得异常灵敏，使得椭偏术的理论精度之高是干涉法不能比拟的，又由于这种测理是非破坏性的，因此它的优越性是显而易见的。

长期以来，人们一直力图将这种测量方法付诸应用。

早在40年代就有人提出实验装置，但由于计算上的困难一直得不到发展。

电子计算机及激光技术的广泛应用，为椭偏术的实际应用及迅猛发展创造了条件。

今天椭偏术已成为测量技术的一个重要的分支。

椭偏术有很多优点，主要是测量灵敏、精度高，测量范围从1oA 到几个微米而且是非接触测量。

国外生产的高精度自动椭偏仪能测量正在生长的薄膜小于l oA 的厚度变化，可检测百分之儿的单分子层厚度，深入到原子数量级。

因此既可将其应用于精密分析测量，也可以用于表面研究，用于自动监控及分析液、固分界面的变化。

目前椭偏术已应用到电子工业，光学工业，金属材料工业，化学工业，表面科学和生物医学等领域。

在我们的实验中，使用消光椭偏仪测量薄膜的折射率和厚度。

除了能学习到其测量方法外，其巧妙的设计思想也将给我们极人的启发和收益。

二、椭偏术原理1．椭偏术基本方程椭圆偏振光入射到透明介质薄膜时，光在两个分界面(空气与薄膜，薄膜与衬底)来同反射和折射，如图5．1所示。

总反射光由多光束干涉而成，光在两个分界面的P 波和S 波的反射系数分别为1122p s p s r r r r 、、、图 5—1P E 2ϕ1ϕSE I II由菲涅尔公式有：121122112112211122322323223223322233cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos p s p s n n r n n n n r n n n n r n n n n r n n ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-⎧=⎪+⎪-⎪=⎪+⎪⎨-⎪=⎪+⎪-⎪=⎪+⎩以上各式中1n 为空气折射率，2n 为膜层的折射率，3n 为衬底折射率。