一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法技术

本申请提供有一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，其通过制备特殊的超薄金属薄膜光学常数表征样品，增加样品光谱特征，利用薄膜光学常数反演计算方法得到超薄金属薄膜的精确红外光学常数。该方法适用于厚度小于100nm的金、银、铝、铬等常用金属薄膜的精确红外光学常数的表征，为含有超薄金属薄膜材料的红外薄膜的设计与制备提供了重要的技术支撑，该表征方法可获取超薄金属薄膜在红外波段单点或宽带的光学常数，有效解决红外波段金属

【技术实现步骤摘要】
一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法


[0001]本申请具体公开一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法。

技术介绍

[0002]超薄金属薄膜相比于介质薄膜，具有更大的折射率和消光系数，在现代薄膜设计中广泛应用于反射滤光片、诱导透射滤光片、衰减片等金属-介质复合光学薄膜元件中。在上述薄膜设计的过程中，必须严格匹配金属与介质膜层间的光学常数与各膜层厚度。而超薄金属膜由于其厚度往往小于金属的平均电子自由程，其光学常数与其厚度呈一定相关性，即不同厚度下的超薄金属薄膜具有不同的光学常数。
[0003]完成一次可靠的金属-介质薄膜设计的前提就是获取一定厚度下金属薄膜的准确光学常数。但是，由于超薄金属薄膜厚度很小(<80nm)，当其应用于红外波段时，将远小于作用波长(>2000nm)，其红外透、反射光谱无明显特征，因此常规的通过红外透、反射光谱反演的方法无法准确获取其红外光学常数。此外，为了获取其光学常数而制备的单层金属薄膜样品置于空气中，金属薄膜会与空气中的氧气、水蒸气发生反应，进一步影响其光学常数测试结果的准确性。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种相较于现有技术而言，能够便于准确地获取其红外光学常数的超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法。
[0005]一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，包括以下步骤：
[0006]S1：制备超薄金属薄膜表征样品，所述样品结构为：Sub/M xH/Air；其中：Sub为基底；Air为空气；M为超薄金属薄膜层；H为红外透明的介质膜；x为该介质膜的光学厚度；
[0007]S2：建立超薄金属薄膜的Drude介电函数色散模型；
[0008]S3：建立超薄金属薄膜表征样品的薄膜干涉物理模型；
[0009]S4：测量超薄金属薄膜表征样品的反射率光谱和透射率光谱。
[0010]S5：以测得的反射率光谱和透射率光谱为目标，基于薄膜干涉物理模型，使用薄膜光学常数反演计算方法，结合薄膜光学常数反演计算的评价函数获得超薄金属薄膜表征样品中超薄金属薄膜的厚度和光学常数。
[0011]根据本申请实施例提供的技术方案，所述薄膜光学常数反演计算的评价函数如下：
[0012][0013]其中：MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为变量个数，和分别为i个波长光谱透过率和光谱反射率的测量值，和分别为i
个波长光谱透过率和光谱反射率的计算值，和分别为i个波长光谱透过率和光谱反射率的测量误差。
[0014]根据本申请实施例提供的技术方案，步骤S3中，利用步骤S1中Sub基底的光学常数、H层介质膜的光学常数和步骤S2中建立的M层超薄金属薄膜的Drude介电函数色散模型构建薄膜干涉物理模型。
[0015]根据本申请实施例提供的技术方案，所述H为Ge、ZnS、Al2O3、YbF3、MgF2中的任意一种。
[0016]根据本申请实施例提供的技术方案，所述Sub为Si、Ge、ZnS、ZnSe中的任意一种。
[0017]综上所述，本申请针对超薄金属薄膜在红外波段光学常数测试不准确的问题，提供一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，其通过制备特殊的超薄金属薄膜光学常数表征样品，增加样品光谱特征，利用薄膜光学常数反演计算方法得到超薄金属薄膜的精确红外光学常数。该方法适用于厚度小于100nm的金、银、铝、铬等常用金属薄膜的精确红外光学常数的表征，为含有超薄金属薄膜材料的红外薄膜的设计与制备提供了重要的技术支撑，该表征方法可获取超薄金属薄膜在红外波段单点或宽带的光学常数，有效解决红外波段金属-介质薄膜设计中金属膜层参数不准确的问题。
附图说明
[0018]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0019]图1为Si基底红外光学常数的示意图；
[0020]图2为Ge膜红外光学常数的示意图；
[0021]图3为待表征超薄Al薄膜样品红外透射率光谱反演结果的示意图；
[0022]图4为待表征超薄Al薄膜样品红外反射率光谱反演结果的示意图；
[0023]图5为超薄Al膜的光学常数表征结果的示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。
[0025]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0026]具体应用实例：超薄Al膜的红外光学常数表征。
[0027]一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，包括以下步骤：
[0028]S1：制备超薄金属薄膜表征样品，所述样品结构为：Sub/M2H/Air。
[0029]本实例中：
[0030]Sub为Si基底，其光学常数参见图1。
[0031]M为待表征的超薄Al薄膜。
[0032]H为红外透明的Ge膜，其光学常数参见图2，光学厚度为2个中心波长λ0＝
4300nm。
[0033]S2：建立超薄Al薄膜的Drude介电函数色散模型。
[0034]S3：建立超薄金属薄膜表征样品的薄膜干涉物理模型。
[0035]其中：
[0036]Sub光学常数与H层的厚度和光学常数均为已知，M层的厚度与光学常数为未知量。
[0037]步骤S3中，利用步骤S1中Sub基底的光学常数、H层介质膜的光学常数和步骤S2中建立的M层超薄金属薄膜的Drude介电函数色散模型构建薄膜干涉物理模型，获取超薄金属薄膜表征样品的透射率与反射率表达式。
[0038]超薄金属薄膜表征样品的薄膜特征矩阵为：
[0039][0040]其中，为M层的相位厚度，n
M
、k
M
分别为M层薄膜的折射率和消光系数，具体可基于Drude色散模型获得其表达式。
[0041]为H层的相位厚度，n
H
、k
H
分别为H层薄膜的折射率和消光系数。
[0042]d
M
、d
H
分别为M层薄膜和H层薄膜的物理厚度。
[0043]θ
M
、θ
H
分别光线在M层薄膜和H层薄膜中的入射角(本实施例中垂直入射下进行测试，取值均为0)。
[0044]λ为入射光的波长，垂直入射情况下，η
M
＝n
M-ik
M
、η
H
＝n
H-ik
H
、η
sub
＝n
sub-ik
sub
。
[0045本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备超薄金属薄膜表征样品，所述样品结构为：Sub/MxH/Air；其中：Sub为基底；Air为空气；M为超薄金属薄膜层；H为红外透明的介质膜；x为该介质膜的光学厚度；S2：建立超薄金属薄膜的Drude介电函数色散模型；S3：建立超薄金属薄膜表征样品的薄膜干涉物理模型；S4：测量超薄金属薄膜表征样品的反射率光谱和透射率光谱；S5：以测得的反射率光谱和透射率光谱为目标，基于薄膜干涉物理模型，使用薄膜光学常数反演计算方法，结合薄膜光学常数反演计算的评价函数获得超薄金属薄膜表征样品中超薄金属薄膜的厚度和光学常数。2.根据权利要求1所述的一种超薄金属薄膜红外光学常数的表征方法，其特征在于：所述薄膜光学常数反演计算的评价函数如下：其中：MSE是测量值与理论...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨霄，刘华松，刘丹丹，姜玉刚，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：