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椭圆偏振光谱技术及其对功能薄膜材料的性能表征

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椭圆偏振光谱技术及其对功能薄膜材料的性能表征

作者：曹春斌安徽大学

学位级别：硕士

近几十年来，随着自动椭偏仪的发展和完善，椭偏光谱技术作为表征光学性质和块材以及薄膜分层结构的一种非破坏性工具已经逐渐地普及。与传统的测试手段相比，它具有非破坏性、非苛刻性、高精度和高灵敏度等优点。通过椭偏测量，可以在... 详细信息

近几十年来，随着自动椭偏仪的发展和完善，椭偏光谱技术作为表征光学性质和块材以及薄膜分层结构的一种非破坏性工具已经逐渐地普及。与传统的测试手段相比，它具有非破坏性、非苛刻性、高精度和高灵敏度等优点。通过椭偏测量，可以在很短的时间内得到从近紫外到近红外范围内的椭偏参数ψ和Δ随波长变化的全谱。然后对ψ和Δ进行解谱，可以得到诸如介电常数、光学常数、膜层厚度和复合膜中各个成分的组分等参数。逐渐成为测量超薄膜、超晶格、多层膜等各种薄膜材料的厚度和光学常数的一种重要的技术手段。为了对椭偏光谱技术有一个全面的了解和研究，本论文主要从以下几个方面展开工作：首先，详细阐述了国内外椭偏仪以及椭偏技术的发展历史、现状和特点，并且介绍了它在各个领域中的应用。然后，从理论上研究了椭圆偏振光谱技术原理，详细推导出环境媒质-薄膜-基片系统所遵循的椭偏方程，然后研究了光度式椭偏仪的测量原理，进而给出椭偏参数与光学常数之间的关系。在第三章介绍了两种常用的椭圆偏振测量仪的硬件组成和测量的自动化改进，同时给出RAP-Ⅰ型椭偏光谱仪的工作原理。第四章介绍了椭偏数据解谱软件的各个主要窗口及其功能，并对解谱时常用的算法和拟合模型进行了较为详细的描述，同时介绍了判别解谱结果精确度的重要指标均方根误差(RSME)。最后在第五章中，分四个部分介绍了椭偏测量术的应用。第一，椭偏测量术在超薄金属薄膜中的应用。用直流溅射法制备了五个厚度的超薄Ag膜，透射电镜(TEM)图像表明厚度低于30nm的薄膜样品均为非连续的。通过对椭圆偏振光谱仪测量数据进行解谱得到五个样品的厚度分别为4.0、6.2、12.5、26.2和30.0nm。从拟合结果中的消光系数k图谱中发现，在Ag1到Ag4样品中分别于477、539、590和689nm处出现了表面等离子体共振峰，而Ag5样品没有出现。分析认为表面等离子体共振峰是由于入射的P偏振光与Ag纳米粒子侧面位置的电子等离子体激元偶合而产生的。同时在Ag1和Ag2样品消光系数k图谱的高能端288nm处出现了另一吸收峰，并对此进行了分析。第二，椭偏测量术在透明导电ITO薄膜中的应用。用溅射法在Si片上制备了厚度为140.5nm的ITO薄膜，用椭偏仪对所制备的薄膜进行了测量。分别用Drude+Lorentz Oscillator模型、有效介质近似(EMA)和Graded(层进)模型对测量所得的椭偏参数ψ、Δ进行了拟合，得到

关键词：椭圆偏振技术椭偏数据解谱模型拟合超薄Ag膜透明导电ITO薄膜

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超薄Ag膜的椭偏光谱建模及解谱

光谱学与光谱分析 2008年第5期28卷 995-998页

作者：曹春斌蔡琪宋学萍孙兆奇安徽农业大学理学院安徽合肥230036 安徽大学物理与材料学院安徽合肥230039

用直流溅射法制备了6个不同厚度的超薄Ag膜。结合超薄Ag膜的结构特点，采用了Drude模型联合Lorentz Oscillator模型的解谱方法，得到1～6号样品的厚度分别为4．0，6．2，12．5，26．2，30．0和40．6nm。从拟合结果的消光系数k图谱中发... 详细信息

用直流溅射法制备了6个不同厚度的超薄Ag膜。结合超薄Ag膜的结构特点，采用了Drude模型联合Lorentz Oscillator模型的解谱方法，得到1～6号样品的厚度分别为4．0，6．2，12．5，26．2，30．0和40．6nm。从拟合结果的消光系数k图谱中发现，在1号到4号样品中分别于430，450，560和570nm处出现了表面等离子体共振峰（SPR），随膜厚的增加共振峰宽化且峰位红移。最后，利用SPR理论计算出不同厚度Ag薄膜等离子体共振峰出现的位置，并和实验结果进行了比较。

关键词：超薄Ag膜椭偏数据解谱表面等离子体共振吸收

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退火时间对TiO2薄膜光学性能的影响

压电与声光 2008年第5期30卷 582-584,587页

作者：孟凡明曹春斌孙兆奇安徽大学物理与材料科学学院安徽农业大学理学院安徽合肥230036

研究退火时间对薄膜相结构、形貌及光学性能的影响。采用射频磁控溅射法在单晶硅片和石英玻璃片上负载TiO2薄膜,通过X-射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和紫外可见光谱(UV-Vis)对其进行表征。结果表明,在相同的退火温度下,与退火0.5 h... 详细信息

研究退火时间对薄膜相结构、形貌及光学性能的影响。采用射频磁控溅射法在单晶硅片和石英玻璃片上负载TiO2薄膜,通过X-射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和紫外可见光谱(UV-Vis)对其进行表征。结果表明,在相同的退火温度下,与退火0.5 h相比,退火1 h的薄膜中锐钛矿相TiO2减少,金红石相TiO2增多,对可见光透射率有所减小,1 000℃以上退火时,透射率减小更明显。与退火1 h相比,退火0.5 h薄膜晶粒较小,明显呈纳米团簇状,薄膜表面粗糙度增大。

关键词： TiO2薄膜射频磁控溅射退火锐钛矿金红石

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氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究

光学学报 2008年第2期28卷 403-408页

作者：孙兆奇曹春斌宋学萍蔡琪安徽大学物理与材料科学学院

用溅射法在Si片上制备了厚度为140nm的氧化铟锡（ITO）薄膜。X射线衍射研究表明所制备的薄膜为多晶结构。在1．5～4．5eV范围内对ITO薄膜进行了椭偏测量。分别用德鲁德-洛伦茨谐振子（Drude4-Lorenzoscillators）模型、层进模型结合有... 详细信息

用溅射法在Si片上制备了厚度为140nm的氧化铟锡（ITO）薄膜。X射线衍射研究表明所制备的薄膜为多晶结构。在1．5～4．5eV范围内对ITO薄膜进行了椭偏测量。分别用德鲁德-洛伦茨谐振子（Drude4-Lorenzoscillators）模型、层进模型结合有效介质近似模型对椭偏参量ψ、△进行了拟合，得到ITO薄膜的折射指数n的变化范围在1.8～2.6之间，可见光范围内消光系数k接近于零，在350nm波长附近开始明显变化，且随着波长的减小k迅速增加。计算得到直接和间接光学带隙分别是3．8eV和4．2eV。并在1．5～4．5eV段给出一套较为可靠的、具有实用价值的ITO介电常量和光学常量。

关键词：薄膜光学椭圆偏振术光学常量测量椭偏建模及解谱 ITO薄膜

Ag-MgF_2复合纳米金属陶瓷薄膜的渗透阈研究

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物理学报 2006年第6期55卷 3147-3151页

作者：曹春斌蔡琪江锡顺宋学萍孙兆奇安徽大学物理与材料学院合肥230039

介绍了几种计算纳米金属颗粒镶嵌于陶瓷基体中而形成的复合纳米金属陶瓷薄膜渗透阈的理论方法,分析了理论方法中所运用模型的特点及其精度.并将Landauer有效介质理论和Priou渗透阈理论应用于Ag-MgF2复合纳米金属陶瓷薄膜的渗透阈计算,... 详细信息

介绍了几种计算纳米金属颗粒镶嵌于陶瓷基体中而形成的复合纳米金属陶瓷薄膜渗透阈的理论方法,分析了理论方法中所运用模型的特点及其精度.并将Landauer有效介质理论和Priou渗透阈理论应用于Ag-MgF2复合纳米金属陶瓷薄膜的渗透阈计算,所得值分别为0·08和0·14(Ag的体积分数),按Priou渗透阈理论计算的结果与实验结果相符.最后讨论了影响复合金属陶瓷薄膜体系渗透阈的主要因素.

关键词： Ag-MgF2复合纳米金属陶瓷薄膜渗透阈理论渗透阈

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衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

功能材料 2006年第7期37卷 1121-1123页

作者：江锡顺曹春斌蔡琪宋学萍孙兆奇安徽大学物理与材料科学学院安徽合肥230039

采用射频磁控溅射法分别在不同温度衬底上制备了厚度为320nm的ZnS薄膜，用XRD和光学相移技术研究了不同衬底温度下薄膜的微结构和应力。结果表明：不同温度衬底上沉积的ZnS薄膜均呈多晶状态，衬底温度由50℃上升到400℃的过程中，其择... 详细信息

采用射频磁控溅射法分别在不同温度衬底上制备了厚度为320nm的ZnS薄膜，用XRD和光学相移技术研究了不同衬底温度下薄膜的微结构和应力。结果表明：不同温度衬底上沉积的ZnS薄膜均呈多晶状态，衬底温度由50℃上升到400℃的过程中，其择优取向发生了变化，晶粒有明显的生长方向；ZnS薄膜应力随着衬底温度升高逐渐减小，衬底温度在250～350℃之间的ZnS薄膜应力较小且在选区内分布比较均匀。

关键词： ZnS薄膜衬底温度微结构应力

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光线与两种GRIN介质界线的关系式及应用

吉林大学学报（理学版） 2009年第2期47卷 345-349页

作者：郭守月曹春斌孙兆奇安徽农业大学理学院合肥230036 安徽大学物理与材料科学学院合肥230039

当光线通过梯度折射率(GRIN)介质中两个固定点和两个GRIN介质界线上的可动尖点(光线轨迹方程的不可微点)时,由费马原理和变分法运算推得传输光线的轨迹方程与两种不同GRIN介质的界线方程应满足的微分关系式.通过应用示例可见,此微分关... 详细信息

当光线通过梯度折射率(GRIN)介质中两个固定点和两个GRIN介质界线上的可动尖点(光线轨迹方程的不可微点)时,由费马原理和变分法运算推得传输光线的轨迹方程与两种不同GRIN介质的界线方程应满足的微分关系式.通过应用示例可见,此微分关系式包含了几何光学的3个实验定律和球面镜成像公式等,而且是光线方程的另一种表达形式.

关键词：几何光学费马原理变分法光线方程

好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度

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原子与分子物理学报 2008年第5期25卷 1287-1293页

作者：章国顺杨名曹卓良曹春斌安徽农业大学理学院合肥230036 安徽大学物理与材料科学学院合肥230039 合肥师范学院物理系合肥230061

考虑原子间偶极相互作用，求出好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度。结果表明，对于理想腔，若原子初始时刻处于相干保持态，系统保真度始终等于1；若原子初始时刻处于其余Bell态之一，腔场初态的平均光子数很小... 详细信息

考虑原子间偶极相互作用，求出好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度。结果表明，对于理想腔，若原子初始时刻处于相干保持态，系统保真度始终等于1；若原子初始时刻处于其余Bell态之一，腔场初态的平均光子数很小，系统保真度在0～1之间作周期性振荡，随着腔场初态的平均光子数的增加，系统保真度的振荡频率增大，振幅减小。对于好腔，若原子初始时刻处于相干保持态，系统保真度呈指数单调衰减；若原子初始时刻处于其余Bell态之一，系统保真度呈指数振荡衰减，且随着腔场初态的平均光子数的增加，系统保真度的振荡频率增大，振幅减小。

关键词：量子光学保真度 Bell态纠缠相干态光场好腔

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掺银ITO薄膜退火前后的性能比较

吉林大学学报（理学版） 2010年第2期48卷 291-294页

作者：郭守月曹春斌孙兆奇安徽农业大学理学院合肥230036 安徽大学物理与材料科学学院合肥230039

采用直流磁控溅射方法在室温下制备厚度为130nm的ITO和Ag-ITO薄膜,并在大气环境中不同温度下退火1h,测试其XRD谱和近紫外-可见光透射谱.利用(211)和(222)衍射峰求得两种薄膜的晶格常数,并分析了掺Ag和退火对ITO薄膜晶格常数、结晶度和... 详细信息

采用直流磁控溅射方法在室温下制备厚度为130nm的ITO和Ag-ITO薄膜,并在大气环境中不同温度下退火1h,测试其XRD谱和近紫外-可见光透射谱.利用(211)和(222)衍射峰求得两种薄膜的晶格常数,并分析了掺Ag和退火对ITO薄膜晶格常数、结晶度和透射率的影响.结果表明:晶格常数随退火温度的升高而减小,且掺Ag后晶格进一步收缩;两种薄膜经高温退火后在可见光段具有相近的透射率,未退火和低温退火的Ag-ITO薄膜透射率明显低于相同条件处理的ITO薄膜.

关键词： ITO薄膜 Ag掺杂退火晶格常数透射率