固体光谱学作业.doc

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1、椭偏光谱技术的原理和应用在固体光谱学中，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。一、　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

2、振光的特性，即式中: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。椭偏仪的测量原理图如下图所示光度法椭偏光谱仪光路图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　NK模型　它用于已知组分的同类多层膜。2　柯西模型　它适用于透明材料，如Al2O3、SiO2、MgF2、SiN4、TiO2、ITO、KCl等。

3、我们用Cauchy公式表达材料在透明波段的光学常数具有较高的精确度:，其中Aj为经验参数。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。4　Sellmeier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，当光波能量远高于带隙时，同时考虑电子和晶格的贡献:，这就是Selmeier色散公

4、式，实际应用中用波长代替能量作为参量:5　EMA(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面、不完全起反应的混合材(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:5．1　Lorentz-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

5、机地混合在一起，其有效介电函数可以用估算，式中fa，fb为介质的份额，fa十fb=1。5．2　Maxwell-Garnett有效介质模型　上一模型假设主介质为真空，即ε=1。更一般的情况是主介质的介电函数是εh，次要介质分散于主介质中，当εh=εa时，有效介质函数ε为5．3　Bruggeman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Brugge-man有效介质模型: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

6、。有效介质模型通常用于薄膜的粗糙表面和过渡层的分析。6　Graded模型　和EMA模型相似，适用于两种材料的混合材料，但层内不同深度的混合比是确定的。7　Drude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情况:其中ωp是等离子共振频率，γ为碰撞频率。8　洛仑兹振子模型　洛仑兹认为:物质分子是由一定数量的重原子核和外围电子构成的复杂带电系统，固体的介电函数可以用一定数量的Lorentz振子的和近似表示，称为简谐振子近似。其形式为式中A为振幅，与载流子密度、电荷、质量有关，E0为振子的共振能量，G为振子的展宽系数，与

7、振子的阻力有关。简谐振子模型适合用于晶态半导体材料，当材料的特征不是很清楚的情况下，选用简谐振子模型是比较好的选择。9　Forouhi2Bloomer模型　Forouhi和Bloomer针对非晶态半导体，通过量子力学处理结合K-K关系推导出包含5个参数的模型，它比较适合于分析铁电薄膜与半导体薄膜材料:n(∞)为无穷大能量时的折射率，E，A，B，C为正的常数。10　形模型　为了在较宽的频谱上表达物质的光学常数，一般需要考虑上述多种模型。二、　利用椭偏仪测量薄膜的优点和特点1测量的对象广泛，可以测量透明膜，无膜固体样品，多层膜，吸收膜和众多性

8、能不同、厚度不同、吸收程度不同的薄膜，甚至是强吸收的薄膜。2被测量的薄膜大小尺寸可以很小，只要1mm即可测量，小于光斑的大小。3方式灵活，既可以测量反射膜，也可以测量透射膜。4测量的速度很快。