Optical Characteristics and Thickness of 2-layered Structures

Význam tématu

Multivrstevné optické povlaky nacházejí uplatnění od ultrafialové až po infračervenou oblast spektra. Pro jejich návrh a kontrolu je nezbytné přesně znát optické vlastnosti – index lomu, koeficient absorpce a tloušťku jednotlivých vrstev. Neinvazivní metody umožňují sledovat tyto parametry bez poškození vzorku a poskytují rychlá a reprodukovatelná měření.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo stanovit tloušťku d, refrakční index n a vyzařovací koeficient k dvouvrstvých struktur nanesených na různých substrátech. Použito bylo spektrální měření transmise a reflexe při dvou úhlech dopadu světla pomocí spektrofotometru Agilent Cary 5000 vybaveného automatizovaným příslušenstvím UMA.

Použitá metodika a instrumentace

Spektrofotometr Cary 5000 s UMA umožňuje automatizovaná měření transmise (0–85°) a reflexe (5–85°) s krokem 0,02°. UMA obsahuje 360° otočný držák vzorku a nezávislý detektor, což dovoluje měnit úhel dopadu i polarizaci světla v jedné sérii měření bez přestavby.
Ultrazákladní postup zahrnoval:

• zaznamenání transmise při dvou úhlech φ1 a φ2 pro transparentní vzorky
• zaznamenání reflexe při dvou úhlech pro neprůhledné vzorky
• výpočet refrakčního indexu z polohy interference vlnových délek λφ1 a λφ2
• určení optické tloušťky dn a převod na skutečnou tloušťku d pomocí stanoveného n

Hlavní výsledky a diskuse

Byly analyzovány dvě vzorky:

• Nanokompozitní povlaky Zr-Si-B-(N) na křemenném substrátu (transparentní): refrakční index klesal z 2,64 při λ=470 nm na 2,17 při λ=955 nm, tloušťka 1380 nm (±5 %).
• Vrstva LiNbO3 na Si‐substrátu (neprůhledný): index klesal z 2,58 při λ=543,6 nm na 2,09 při λ=708,8 nm, tloušťka 250 nm (±5 %).

Metoda je citlivá na přesnost určení polohy interference, vhodná pro hrubé předběžné odhady. U heterogenních filmů se projevila nižší přesnost daná lokální variabilitou struktury.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost komplexního pořízení spektrálních a úhlových dat z jediné oblasti vzorku.
• Rychlé, neinvazivní určení n, k a d bez nutnosti přestavby přístroje.
• Flexibilita v měření polarizovaných i nepolarizovaných paprsků.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj směřuje ke kombinaci víceoptických technik (např. ellipsometrie) pro zvýšení přesnosti, rozšíření metodiky na silně absorpční vrstvy a automatizovanou analýzu většího množství vzorků. Integrace do výrobních linek by umožnila on-line kontrolu kvality povlaků.

Závěr

Použití Cary 5000 s UMA poskytuje spolehlivá data o optických parametrech tenkých vrstev s přesností indexu ±0,01. Metoda je vhodná pro rychlé předběžné stanovení n a d a podporuje vývoj i kontrolu kvalitativních optických povlaků.

Reference

1. Arndt D.P. et al. Multiple determination of the optical constants of thin‐film coating materials, Appl. Opt. 23(20) (1984) 3571–3596
2. Tikhonravov A.V. et al. Optical parameters of oxide films typically used in optical coating production, Appl. Opt. 50(9) (2011) C1–C12
3. Tikhonravov A.V. et al. Optical characterization and reverse engineering based on multiangle spectroscopy, Appl. Opt. 51(2) (2012) 245–254
4. Shih W.-Ch. et al. Growth of c‐axis-oriented LiNbO3 films on ZnO/SiO2/Si substrate by pulsed laser deposition for surface acoustic wave applications, Jpn. J. Appl. Phys. 47(5) (2008) 4056–4059
5. Simoes A.Z. et al. Influence of thickness on crystallization and properties of LiNbO3 thin films, Mater. Charact. 50 (2003) 239–244
6. Ayupov B.M. et al. Searching for the starting approximation when solving inverse problems in ellipsometry and spectrophotometry, J. Opt. Technol. 78(6) (2011) 350–354
7. Kirjuhanstev-Korneev F.V. et al. Struktura, fizicheskie i chimicheskie svojstva nanokompozitnyh pokrytij Zr-Si-B-(N), Tezisy VII meždunar. konf. (2017) 104
8. Kozlova N.S. et al. Spectrophotometric determination of optical parameters of lithium niobate films, Modern Electronic Materials3 (2017) 122–126
9. Zhukov R.N. et al. Synthesis and properties of the LiNbO3 thin films intended for nanogradient structures, PIERS Proc. (2013) 98–101