[发明专利]一种超薄膜光学常数快速测量方法

说明书

本发明属于超薄膜光学性质测量表征研究领域，并具体公开了一种超薄膜光学常数快速测量方法，其包括如下步骤：S1利用照射至待测超薄膜光源的p光幅值反射系数r_p和s光幅值反射系数r_s表达超薄膜材料的幅值反射系数比S2对以2πd_f/λ为变量在d_f＝0处进行二阶泰勒展开获得二阶近似形式；S3对二阶近似形式进行合并简化及替换处理将其转化为一元四次方程；S4对一元四次方程进行求解获得超薄膜材料光学常数的多个解，并通过条件判断获得正解，以此完成超薄膜光学常数的快速测量。本发明可实现超薄膜光学常数的快速测量，具有测量快速、测量准确等优点。

技术领域

本发明属于超薄膜光学性质测量表征研究领域，更具体地，涉及一种超薄膜光学常数快速测量方法。

背景技术

随着光电技术等的快速发展，薄膜的应用范围逐步扩大，许多厚度只有几十甚至几个纳米的超薄膜成为当前的研究热点。而超薄膜的光学常数在基础科学研究和纳米光学器件设计及优化方面十分关键，且超薄膜的光学常数会随厚度、制备条件等发生改变，不能简单使用现有文献或数据库中的信息。因此，实现对超薄膜光学常数的快速准确测量具有十分重要的意义。

薄膜的光学常数测量表征方法主要包括光度法，棱镜耦合法，干涉法，椭偏法等。光度法基于分光光度计测量薄膜的透射率和反射率来确定薄膜的厚度，分为包络线法、全光谱拟合法等，其中包络线法是最为常用的一种，但是一般要求薄膜较厚，对于超薄膜并不合适；棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光，确定波导膜耦合角，从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法，其测量的厚度也达不到超薄膜的尺度范围。干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜折射率，也存在与上述方法同样的问题。椭偏法测量具有无损非接触、灵敏度高、精度高等优点，其对厚度的灵敏度可以达到0.01nm，但是椭偏法是一种非直接测量方法，需要通过计算机拟合才能求得薄膜的厚度和光学常数(包括折射率和消光系数)。椭偏测量是一种间接测量方法，通过测量光入射到样品表面前后偏振态的变化来对样品的几何参数和光学性质进行探测，测量结果需要与光学模型通过算法进行拟合来获取光学常数。常见的拟合方法包括点对点法和振子模型拟合法等，其中点对点法要给定初值，需对超薄膜的光学常数有比较准确估值，否则容易陷入局部最优解，无法解出正确的光学常数；振子模型拟合法采用洛伦兹等振子，需要预先了解超薄膜的电子跃迁信息，匹配测量数据获得超薄膜的光学常数，对于超薄膜，其电子跃迁等性质往往不够了解，为振子拟合过程引入误差。可见，实现超薄膜光学常数的测量是现有测量技术中的一个难点。

针对上述难题结合超薄膜的几何性质，一些研究人员提出了基于幅值反射系数比ρ的泰勒展开近似直接计算方法，2017年爱沙尼亚的Peep Adamson(A new ellipsometricapproach for determining dielectric function of graphene in the infraredspectral region.Journal of Modern Optics,2017,64(3):272-279.)针对透明基底上的石墨烯及类似材料对椭偏参数的幅值反射系数比ρ进行一阶近似，通过对近似公式进行求解，得到折射率和消光系数的计算公式，并对红外波段的石墨烯进行了仿真计算；2018年韩国的Gwang-Hun Jung等(Measuring the optical permittivity of two dimensionalmaterials without a priori knowledge of electronic transitions[J].Nanophotonics.2018.)采用类似的方法对p光和s光的幅值反射系数之比ρ进行一阶求导，通过求解一阶方程得到超薄膜的折射率和消光系数计算公式，并对蓝宝石基底上的二维材料二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨薄膜进行了测量计算，验证了该方法在波长较长的波段、无先验知识的情况下，可以较为准确的计算超薄膜的光学常数。上述两方法为超薄膜光学常数的确定提供了新思路，但也都存在计算波段有限的缺陷，对紫外波段等较短波长范围内的光学常数计算结果会出现较大误差。