椭偏法测薄膜厚度
椭偏法测薄膜厚度
实验目的
1. 测量透明介质薄膜厚度和折射率。
2. 测量布儒斯特角,验证马吕斯定律及偏光分析等偏振实验。
实验原理
1. 介质膜的测量
使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经1/4波片,使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜表面上。反射时,光的偏正态将发生变化。通过检测这种变化,便可以推算出待测膜面的某些光学参数(如膜厚和折射率)。
2.椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量
光学均匀和各向性的单层介质膜有两个平行的界面。通常,上部都是折射率为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,均匀地附在折射率为n1的衬底上。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束干涉。其干涉结果反映了薄膜的光学特性。
3.金属负折射率的测量
介质膜对光的吸收可能忽略不计,其折射率为实数,当测量表面为金属时,由于其为电媒介,存在不同程度的吸收,根据相关理论,金属的介电常数是复数,其反射率亦为复数。
实验仪器
WJZ-II椭圆仪结构如下图所示:
1、半导体激光器 2、平行光管 3、起偏器读数头(与6可换用) 4、1/4波片读数头 5、氧化锆标准样板 6、检偏器读数头 7、望远镜筒 8、半反目镜 9、光电探头 10、信号线 11、分光计 12、数字式检流计
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实验内容
1. WJZ-II椭圆仪的调整(详细操作见JJYI分光计说明书)
(1)用自准直法调整好分光计,时望远镜和平行光管共轴并与载物台平行
(2)分光计度盘的调整:使游标与刻度盘零刻度线适当位置,当望远镜转过一定角度时不致无法读数
(3)光路调整
(4)检偏器读数头位置的调整与固定
(5)起偏器读数头位置的调整与固定
(6)1/4波片零位的调整
2.薄膜厚度d和折射率n的测量
(1)将待测样品,放置在载物台的中央,旋转载物台使达到预定的入射角70°,即望远镜转过40°,并使反射光在目镜上形成一亮点。
(2)为了减小误差,采用4点测量法。先置1/4波片快轴于+45°(即旋转波片盘),仔细调节检偏器A和起偏器P,使目镜内的亮点最暗(或检流计示数最小)记下A值和P值,这样就可以测得两组消光位置数值。
(3)同(2)再置1/4波片快轴与-45°(315°),做相同操作,记下两组消光位置数值。 数据处理与结果讨论
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经过归一化处理和求平均值可得到
A=10, P=108.5
2.数据处理使用专门的数据处理软件(详见软件说明书)
使用软件对所测数据进行处理后,可以得到该薄膜物质的厚度是121.5nm,折射率是2.085。考虑到厚度的周期以及同样品参数比对,最终的结果为:
厚度d=697.5nm, 折射率n=2.085
3. 当然,这个实验结果还是有误差的,在调节起偏器P,使目镜内的亮点最暗(或检流计值最小),但目镜内的亮度很小,不易观察到亮光,而检流计的示数也一直在变化,我也只能在检流计显示的最小值附近读取P的值,这个P值与真实的值之间有一定的误差,这样就使得测得的薄膜厚度与折射率与真实值有误差。
仪器本身也有一定的系统误差,而且外界的光也有一部分时不时照在仪器光接收的部位,这也可能是造成检流计读书一直变化,不稳定的原因。
参考文章
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
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