Макаренко Олексій Володимирович Гоніополяриметрія неоднорідних поверхневих шарів середовищ з різними типами провідності : Макаренко Алексей Владимирович Гониополяриметрия неоднородных поверхностных слоев сред с различными типами проводимости

Краткое описание

Макаренко Олексій Володимирович, доцент кафедри оптики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка: «Гоніополяриметрія неоднорідних поверхневих шарів середовищ з різними типами провідності» (01.04.05 - оптика, лазерна фізи­ка). Спецрада Д 26.001.23 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
МАКАРЕНКО ОЛЕКСІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 535.512; 535.016
ДИСЕРТАЦІЯ
ГОНІОПОЛЯРИМЕТРІЯ НЕОДНОРІДНИХ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ
СЕРЕДОВИЩ З РІЗНИМИ ТИПАМИ ПРОВІДНОСТІ
01.04.05 – оптика, лазерна фізика
Подається на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
_____________ О.В. Макаренко
Науковий консультант: Поперенко Леонід Володимирович,
доктор фізико-математичних наук, професор,
Київ – 2019

З М І С Т
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ………………………………………………….. 21
ВСТУП……………………………………………………………………… 22
РОЗДІЛ 1. ГОНІОПОЛЯРИЗАЦІЙНИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ
КОМПЛЕКС ……………………………………………………………….. 30
1.1. Автоматизація повороту зразка та алідади……………………………… 33
1.2. Система визначення кута повороту………………….……………... 35
1.3. Вузли обертання поляризаторів та фазових пластинок ………….. 41
1.4. Блок реєстрації випромінювання ………………………………….. 49
1.5. Блок джерела світла …………………………………………………. 58
1.6. Система керування та обробки сигналів ………………………….. 59
1.7. Висновки до Розділу 1………………………………………………... 60
РОЗДІЛ 2. ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ЗАЛОМЛЕННЯ ТА
ПОГЛИНАННЯ ОПТИЧНОГО СКЛА …………………………………… 62
2.1. Об’єкти дослідження ……………………………………………….. 63
2.2. Теоретична модель …………………………………………………. 64
2.3. Експериментальна частина ………………………………………... 67
2.4. Отримані значення показників та їх інтерпретація ………………. 72
2.5. Аналіз поведінки середньоквадратичного відхилення ………….. 75
18
2.6. Висновки до Розділу 2……………………………………………… 79
РОЗДІЛ 3. ЕЛІПСОМЕТРИЧНА ДІАГНОСТИКА ПОВЕРХНЕВОГО
ШАРУ ОПТИЧНОГО СКЛА ……………………………………………… 80
3.1. Структура та оптичні властивості поверхневих шарів, які
отримані при поліруванні скла………………………………………… 81
3.2. Еліпсометричні методи дослідження поверхневих шарів на склі… 84
3.3. Розв’язок прямої задачі еліпсометрії для багатошарової плівкової
системи ………………………………………………………………….. 86
3.4. Об’єкти дослідження та схема експерименту …………………….. 99
3.5. Розв’язання оберненої задачі еліпсометрії для зразків з
неоднорідними поверхневими шарами …………………………………. 105
3.6. Визначення розподілу показника заломлення за глибиною
поверхневого шару ……………………………………………………… 109
3.7. Висновки до розділу 3……………………….……………………... 118
РОЗДІЛ 4. ОСОБЛИВОСТІ ЗМІН ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ В
МЕЖАХ ПОВЕРХНЕВОГО ОКСИДНОГО ШАРУ В Si ТА GaAs …….. 120
4.1. Структура та оптичні властивості оксидних шарів на поверхнях
зразків Si та GaAs ……………………………………………………….. 121
4.2. Об’єкти дослідження та схема експерименту …………………….. 130
4.3. Визначення характеристик поверхневих оксидних шарів Si і GaAs 132
4.4. Висновки до Розділу 4……………………………………………… 139
19
РОЗДІЛ 5. ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА СТРУКТУРА ОКСИДНОЇ
ПЛІВКИ НА ПОВЕРХНІ ПОРУВАТОГО КРЕМНІЮ ………………….. 140
5.1. Структура та оптичні властивості поруватого кремнію ………… 141
5.2. Об’єкт та методика проведення дослідження ……………………... 149
5.3. Колірні характеристики поруватого кремнію вкритого оксидною
плівкою…………………………………………………………………… 150
5.4 Визначення характеристик поверхневого оксидного шару
поруватого кремнію шляхом розв’язання оберненої задачі
еліпсометрії………………………………………………………………..
153
5.5 Висновки до розділу 5.……………………………………………… 160
РОЗДІЛ 6. ОПТИМІЗАЦІЯ ОПТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МЕТАЛОДІЕЛЕКТРИЧНИХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ДЛЯ СТВОРЕННЯ
ПЛАЗМОННИХ СЕНСОРІВ ……………………………………………… 162
6.1. Зонні структури благородних металів та їхній зв’язок з
оптичними властивостями ……………………………………………... 162
6.2. Практичне використання явища поверхневого плазмонполяритонного резонансу ……………………………………………… 165
6.3. Особливості будови та шляхи підвищення ефективності сенсорів
на основі поверхневого плазмон-поляритонного резонансу ………… 174
6.4. Об’єкти дослідження та схема експерименту ……………………. 175
6.5. Визначення характеристик гетероструктур за результатами
багатокутової еліпсометрії ………………………………………………. 181
20
6.5.1. Гетероструктури з захисними шарами HfO2 та MgF2………… 181
6.5.2. Гетероструктури з захисними шарами графену ……………… 186
6.6. Поляритонне поглинання в гетероструктурах……………………. 188
6.6.1. Гетероструктури з захисними шарами HfO2 та MgF2………… 188
6.6.2. Гетероструктури з захисними шарами графену ……………… 195
6.7. Оцінка ефективності досліджуваних гетероструктур в якості ППРсенсорів …………………………………………………………………. 197
6.8. Висновки до Розділу 6………………………………………………. 202
РОЗДІЛ 7. ГОНІОПОЛЯРИМЕТРИЧНА ДІАГНОСТИКА
НАДТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК…………………………………... 204
7.1. Еліпсометрія тонких окислених плівок Mo й Ti…………………. 205
7.2. Стокс-поляриметрія тонких плівок Au та Sn ……………………. 216
7.3. Мюллер-поляриметрія острівцевих плівок Au …………………... 231
7.4. Висновки до розділу 7……………………………………………… 235
ВИСНОВКИ………………………………………...………………..…….. 237
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………... 240
ДОДАТОК А. Список публікацій здобувача…………………………... 263

Список литературы

ВИСНОВКИ
Найбільш важливими результатами, одержаними в дисертації, є
встановлення певних закономірностей та фізичних механізмів взаємодії
поляризованого випромінювання з неоднорідними поверхневими шарами
різної провідності та проявів цієї взаємодії в кутових залежностях
характеристик відбитого зразком випромінювання, а саме:
1. Вперше запропоновано спосіб одночасного визначення показників
заломлення та поглинання стекол за єдиною гоніофотометричною схемою.
2. На основі матричного методу обчислення стаціонарних амплітуд
напруженості електричного поля на межах поділу середовищ з урахуванням
явища інтерференції хвиль при багатократному відбиванні розроблено новий
методологічний підхід до розв’язання прямої та оберненої задач еліпсометрії
неоднорідних поверхневих шарів. Цей підхід дозволив за результатами
багатокутових та імерсійних вимірювань поляризаційних характеристик
відбитого або пропущеного випромінювання визначати для цих шарів
оптичний профіль за показником заломлення.
3. Показано, що найкращим розв’язкам оберненої задачі еліпсометрії для
модифікованих шарів на склі відповідають моделі ефективного середовища
та середовища з немонотонним оптичним профілем показника заломлення,
що має екстремум. З’ясовано, що товщина ефективного шару відповідає
середньоквадратичній висоті нерівностей для поверхонь відповідного класу
чистоти поверхні. Згідно з моделлю іншого профілю, який враховує
морфологію поверхневого шару, товщина цього шару складає 190…690 нм,
що добре узгоджується з відповідними значеннями для поверхонь скла, які
були отримані з використанням стандартних технологій обробки і оцінки
параметрів шорсткості.
4. Встановлено, що розраховані товщини оксидних шарів на поверхнях Si
та GaAs для моделей однорідного шару і шарів з лінійним та експоненційним
профілями дають схожі результати, які не перевищують значення
(7,60,1) нм. Показано, що врахування неоднорідності поверхневого шару
238
збільшує функцію нев’язки на два порядки в порівнянні з моделлю
однорідного шару.
5. Вперше оцінено шляхом розв’язання оберненої задачі еліпсометрії
характер зміни в оптичній однорідності поверхневого шару поруватого
кремнію. Встановлено, що його властивості добре описуються двошаровою
моделлю, а глибинний шар поруватого кремнію є однорідним за своєю
товщиною і сам поверхневий окислений шар має складніший розподіл
показника заломлення. Для його опису прийнятним є як лінійний, так і
двоступінчатий профілі показника заломлення. Одержані значення
показників заломлення в межах приповерхневого шару поруватого кремнію
свідчать, що до його складу входять оксиди кремнію (з показником
заломлення, близьким до 1,45), залишки неокисленого кремнію з показником
заломлення в околі значення 3,9, який заблокований оксидами, і порожні
пори.
6. Застосовано методи колориметрії, які демонструють добре узгодження
розрахованого і виміряного кольорів зразка з параметром
5,8   ELab
, що
додатково підтверджує адекватний вибір моделі поверхневого шару. Яскраво
виражену інтерференційну картину в поверхневому шарі поруватого кремнію
використано для незалежної оцінки його товщини, яка складає близько
150 нм.
7. З’ясовано, що оптична товщина захисного оксидного шару HfO2 в
гетероструктурах, які функціонують як сенсори завдяки ефекту збудження
поверхневих плазмон-поляритонів суттєво впливає на форму кривої
поверхневого плазмонного резонансу, внаслідок чого вимоги до ступеня
однорідності цього оксидного шару під час процесу осадження повинні бути
особливо високими. Показано, що зі зростанням оптичної товщини
оксидного шару мінімум резонансної кривої зміщується в область більших
кутів і доступний для діагностики матеріалів діапазон їхніх показників
заломлення звужується.
8. Встановлено, що проміжний шар Cr в гетероструктурах, до складу яких
входять благородні метали, відіграє не лише роль адгезійного матеріалу при
239
створенні сенсора на основі плазмонного збудження, але й забезпечує
наявність плоскої межі для нанесення наступного тонкого шару в
гетероструктурі, заповнюючи нерівності поверхні скляної підкладинки. Це
покращує інтерференційні умови для світла при його проходженні в
наступному металевому шарі, що призводить до зменшення напівширини
мінімуму кривої поверхневого плазмонного резонансу і підвищення рівня
ефективності виготовленого в такій послідовності шарів сенсора.
9. З’ясовано, що чутливість плазмонних сенсорів практично не залежить
від того, який з металів Au, Ag чи Cu використовується для створення
функціонального металевого шару. Показано, що сенсори на основі міді
відрізняються незначним звуженням інтервалу визначення показників
заломлення контрольованої речовини порівняно із сенсорами, які виготовлені
на основі золота та срібла.
10. Використовуючи метод Стокс-поляриметрії, встановлено значення
деполяризації оптичного випромінювання при відбиванні від тонких
острівцевих плівок Au та Sn на скляній підкладці. Значення ступеня
деполяризації зростає зі збільшенням кута падіння  і досягає максимального
значення поблизу  = 80°. З’ясовано, що на відміну від результатів
еліпсометричної діагностики величина ступеня деполяризації надає
інформацію про морфологічну будову поверхні.
11. Встановлено, що кутові залежності елементів матриці Мюллера m12 і
m21 для острівцевих плівок золота мають немонотонний характер з
мінімумом в області кутів падіння від 70° до 75° та визначаються кількістю
розсіювальних центрів. Показано, що використання цих залежностей як для
елементів m12 і m21, так і для елементів m11 і m22 дозволяє контролювати як
товщину плівки, так і її морфологічні особливості при формуванні.
12. Отримані результати дозволяють підвищити точність визначення
оптичних характеристик поверхневих шарів, використати виявлені
морфологічні особливості формування гетероструктури гоніополяризаційним
методом для контролю оптичних інтерфейсів та розробки нових оптичних
елементів, зокрема сенсорів, що працюють завдяки ефекту збудження
поверхневих плазмон-поляритонів.