《2022年实验十一-椭偏法测薄膜厚度和折射率.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年实验十一-椭偏法测薄膜厚度和折射率.docx（9页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精品学习资源云南高校物理试验教学中心试验报告试验项目：试验十一椭偏法测薄膜厚度和折射率同学：马晓娇学号： 20211050137物理科学技术学院物理 系 2021级天文菁英班专业成果指导老师：何俊试验时间： 2021 年 10月 13日 13时 00分至 14时 30分试验地点：物理科学技术学院课程名称：一般物理试验试验类型：教学 演示 验证 综合 设计 同学科研 课外开放测试其它欢迎下载精品学习资源一、导论当一个方向的尺寸相对其他两个方向的尺寸小很多时，这种物质结构称为薄膜；对于薄膜，厚度是其重要的基本参数，薄膜材料的力学性能、磁性能、热导 率和外表结构等都与厚度有着亲密的联系；薄膜的厚度是
2、指基地外表和薄膜外表的距离；薄膜厚度的测量方法很多， 常见的测量方法有： 螺旋测微法、 台阶法、扫描电子显微法、 椭圆偏振法、 称量法、干预法等；椭圆偏振法测量具有如下特点：1、能测量很薄的膜 10A ；2、测量精度很高，比干预法高 12 个数量级；3、无损检测，不需特殊制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法，如称量法简便4、可同时测量膜的厚度、折射率及吸取系数；二、试验目的1、学会一种比较精确、简便测量透亮介质膜厚度和折射率的方法；2、明白椭圆偏正法测量薄膜参数的基本原理；3、进一步把握光的偏正、反射、干预等经典物理光学原理；三、试验原理一椭圆偏振光光是一种电磁波，光波的传播方向就是电磁波的
3、传播方向；光波中的电振动矢量 E 和磁振动矢量 H 都与传播速度 V 垂直,因此光波的振动面与传播方向垂直 ,光波是横波 ,光波具有偏振性；椭圆偏振光可以通过让线偏振光透射双折射晶体做成的波片获得；二椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量椭偏法测量的基本思路是， 起偏器产生的线偏振光经取向肯定的1/4 波片后成为特殊的椭圆偏振光， 把它投射到待测样品外表时， 只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品外表反射出来的将是线偏振光； 依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 ，便可以确定样品外表的很多光学特性；设有硅片外表上掩盖匀称透亮的同性薄膜系统；如图1 所示， n0，n1 和 n2 分别
4、为环境介质、 薄膜和衬底的折射率，0. 1. 2分别为入射角、 薄膜和衬底的折射角， d 是薄膜的厚度；入射光在两个界面来回反射和折射，总反射光由多束光合成；把光的电矢量 和磁矢量各分为两个重量， 把光波在入射面的重量称为 p 重量或 P 波，垂直面射入的叫 S 重量或 S 波；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源定义 tanApAsreApAsin1表征反射波对入射波的相对振幅变化；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源pspsreps in2表征经反射系统后的 P 波和 S 波得欢迎下载精品学习资源相位变化；表示光波中 P 波和 S 波的相位由光学学问可得反射系数比为欢迎下载精品学习
5、资源AP in /As in表征入射光 P 波和 S 波的振幅；AP re /As3re表征反射光 P 波欢迎下载精品学习资源和 S 波的振幅；此式称为椭圆偏振方程，它表示薄膜厚度d 和直射率 n 与光偏振状态的变,之间的关系；薄膜的厚度和折射率的测量鬼节为反射系数比的测量；椭圆偏振光法测量膜厚度和折射率的基本原理就是有试验测得,再有以上关系定出膜厚 d 和折射率 n；三和的物理意义由1式可知，参量与反射前后的 P波和S波重量的振幅比有关，同理， 有2式可知， 参量 与反射前后的 P波和S波重量的相位差有关； 就和的变化范畴为020欢迎下载精品学习资源当入射光为椭圆偏振光时， 反射光一般为偏振
6、态， 为了能直接测得和， 可对问题进行简化；第一，使入射的椭圆偏振光的主轴为 45倾斜， 入射在膜面上的光就为等幅欢迎下载精品学习资源椭圆偏振光；这样AP1ASin欢迎下载精品学习资源就1式变为 tg0/位角算出；APASre，可见 只与反射光的振幅有关，可从偏振器的方欢迎下载精品学习资源其次，使反射光为一线偏振光，即PS Re，就欢迎下载精品学习资源 ps inps re0欢迎下载精品学习资源180ps inps re欢迎下载精品学习资源可见只与入射光的 P波、S波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出；四折射率 n1和膜厚 d的运算欢迎下载精品学习资源在 0、n0、 n1确定之后，用电脑编制
7、 , 和 n1 ,的关系表，在欢迎下载精品学习资源测得样品的 , 值后，从图中查出对应的膜厚 d；再求厚度时， 当 n0和 n1 为实数是， 1为实数， 两相邻反射光线间的相位差，其周期为 2； 2可能随着 d 的变化而处于不同的周期中；假设令22时对应的膜厚度为第一个周期厚度 d0，可得到d01/22 n 2n 2 sin 2100欢迎下载精品学习资源由电脑算出的 d 值是第一周期内的数值；假设膜厚大于定所在的周期数 j ，总膜厚度为d0；可用其他方法确欢迎下载精品学习资源D j1d0d四试验仪器反射式椭圆偏振仪欢迎下载精品学习资源五试验内容1、测量在玻璃衬底上蒸镀的一层 zns膜的厚度和折
8、射率 2 .2、测量硅 Si 衬底外表的 SiO2 薄膜厚度和折射率 n2.3、测量出和 后用电脑求出结果；六、摸索题1、厚度和折射率的测量原理如图 11.1所示为一光学匀称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，介质薄膜匀称地附在衬底上，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预 其干预结果反映了膜的光学特性设 1表示光的入射角， 2 和 3 分别为在界面 1 和 2 上的折射角依据折射定律有欢迎下载精品学
9、习资源n1 sin 1n2 sin2n3 sin 311.1欢迎下载精品学习资源光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P 重量和垂直于入射面振动的欢迎下载精品学习资源S重量假设用Eip和 Eis 分别代表入射光的 P 和 S 重量，用Erp及Ers 分别代表各欢迎下载精品学习资源束反射光 K0 ， K1 ， K 2 ，中电矢量的 P 重量之和及 S 重量之和，就膜对两个分欢迎下载精品学习资源量的总反射系数RP 和RS 定义为欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源RPErp/ Eip , RSErS/ EiS11.2欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源经运算可得 式中， r1 p 或 r1
10、s 和 r2p 或 r2s 分别为 P 或 S 重量在界面 1 和界面 2上一次反射的反射系数 2为任意相邻两束反射光之间的位相差依据电磁场的麦克斯 韦 方程和 边界条 件 ，可以证 明欢迎下载精品学习资源r1 ptan12 / tan12 , r1ssin12 / sin12 11.3欢迎下载精品学习资源r2 ptan23 / tan23 , r2ssin23 / sin23 欢迎下载精品学习资源式即闻名的菲涅尔 Fresnel反射系数公式由相邻两反射光束间的程差， 不 难算出欢迎下载精品学习资源2221124d ncos4 dn 2n 2 sin211.4欢迎下载精品学习资源11.4 式中
11、，为真空中的波长， d 和 n2 为介质膜的厚度和折射率欢迎下载精品学习资源rre i 21r r e i 2 欢迎下载精品学习资源taneiR / R1p2 p1s 2s欢迎下载精品学习资源Ps1r re i 2 rr e i 2 1 p 2 p1s2s在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量和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 和称为椭偏参数由于具有角度量纲也称椭偏角 ；由式11.1,式,式和上式可以看出， 参数 和是 n1 ，n2 ，n3 ， 和 d 的函数其中 n1 ， n2 ， 和 1可以是已知量，假如能从试验中测出和的值，
12、原就上就可以算出薄膜的折射率 n2 和厚度 d 用复数形式表示入射光和反射光的P 和 S 重量欢迎下载精品学习资源EipErpEipErpexpiexpiip ，Eis rp ，ErsEisErsexpiexpiis ； rs 式欢迎下载精品学习资源中各肯定值为相应电矢量的振幅，各值为相应界面处的位相由式 ,式11.2和式式可以得到欢迎下载精品学习资源taneiErp ErsEis Eipexp i rprs ipis 欢迎下载精品学习资源比较等式两端即可得欢迎下载精品学习资源tanErpEis/ ErsEip欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源 rp rs ip .is 欢迎下载精品学习
13、资源式说明，参量与反射前后 P 和 S重量的振幅比有关而式说明，参量与反射前后 P 和S 重量的位相差有关可见，和直接反映了光在反射欢迎下载精品学习资源前后偏振态的变化一般规定，和的变化范畴分别为0/ 2和02当入射光为椭圆偏振光时， 反射后一般为偏振态指椭圆的外形和方位发生了变化的椭圆偏振光 除开4且0 的情形为了能直接测得和，须将试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意以下两个条件：1要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光即P和S 二重量的振幅相这欢迎下载精品学习资源时， Eip /Eis1,式 11.8就简化为tanErp /Ers 欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习
14、资源2要求反射光为一线偏振光也就是要求rp rs（0或 ），式就简化欢迎下载精品学习资源为 ipis 满意后一条件并不困难 由于对某一特定的膜， 总反射系数比 Rp / Rs 是一定值式 11.5打算了 也是某肯定值依据 11.8式可知，只要转变入射光二重量的位相差（ ip is） ，直到其大小为一适当值 详细方法见后面的表达 ，欢迎下载精品学习资源就可以使（ip is ） 0或，从而使反射光变成一线偏振光利用一检偏器欢迎下载精品学习资源可以检验此条件是否已满意以上两条件都得到满意时，式说明，tan恰好是反射光的 p 和 s 重量的幅值比，是反射光线偏振方向与 s 方向间的夹角， 恰好是在膜面
15、上的入射光中 P和S重量间的位相差欢迎下载精品学习资源在 0、 n0、 n1确定之后，用电脑编制 , 和n1,的关系表，在测得欢迎下载精品学习资源样品的 , 值后，从图中查出对应的膜厚 d；再求厚度时， 当 n0和 n1 为实数是， 1为实数， 两相邻反射光线间的相位差，其周期为 2； 2可能随着 d 的变化而处于不同的周期中；假设令22时对应的膜厚度为第一个周期厚度 d0，可得到d01/22 n 2n 2 sin 2100欢迎下载精品学习资源由电脑算出的 d 值是第一周期内的数值；假设膜厚大于定所在的周期数 j ，总膜厚度为d0；可用其他方法确欢迎下载精品学习资源D j1d0d评分内容预习操作数据处理与分析试验报告其他综合评定成果分数老师评语：签字：备注：欢迎下载