光譜擬合法確定一種鈣鈦礦結構薄膜材料的復數光學常數
為了獲得一種鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧La0.8Sr0.2MnO3 薄膜材料的復數光學常數,利用光學薄膜原理和數學優化方法,并基于鈣鈦礦結構材料的色散模型,對磁控濺射技術制備的不同厚度的鑭鍶錳氧薄膜在波數400~1250 cm-1范圍內的反射光譜進行了全譜擬合,并由擬合參數確定了薄膜的復數光學常數。擬合結果顯示,測試光譜和擬合光譜較為一致,說明鈣鈦礦結構材料的色散模型適用于描述La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的光學特性,利用該色散模型并通過光譜擬合法獲得La0.8Sr0.2MnO3薄膜的復數光學常數是獲得此材料光學特性的一種有效的方法。
隨著材料技術的發展,具有特殊功能的材料被廣泛研究,并不斷地被應用到微電子器件、傳感器件及其它光電器件中。材料的熱學性能、電磁性能和光電性能在很大程度上取決于材料的光學性能。因此,研究材料的光學性能,對材料的其它諸多性能的研究也至關重要。
材料光學常數的確定主要包括理論方法和試驗測試兩方面。理論方法主要包括通過克喇末-克朗尼克(Kramers-Kronig)關系由材料反射率求解光學常數。但這種方法只能對厚度較大的塊體材料的光學常數分析較為適用,而對薄膜材料,基底會對測試得到的反射率曲線存在極大影響。光學常數的試驗測試方法有很多種,主要包括橢偏法和棱鏡耦合法等。但這些方法通常只能測量材料一定譜段的光學常數,對于存在一定吸收和較大色散的材料,其光學常數的確定存在較大的困難,而且這些方法在實際測量過程中受很多條件的限制,數據處理也容易受到人為因素的影響。
巨磁阻材料R1-xAxMnO3(R為三價稀土元素,A為二價堿土元素) 因具有特殊的電磁特性而備受人們關注。以La1-xSrxMnO3(LSMO)為例,該材料根據摻雜濃度x 和溫度區間的不同處于不同的電磁相,如順磁絕緣相、順磁金屬相及鐵磁金屬相等。雖然目前對該材料在電磁特性方面的研究比較多,但光學性能方面的研究還相對比較匱乏。
本文利用磁控濺射的薄膜沉積方法在石英玻璃基底上制備了其中一種特殊組分的La0.8Sr0.2MnO3 薄膜,利用SYSTEM2000 紅外光譜儀對薄膜的反射率進行了測試,并通過光譜擬合法獲得了薄膜的自身復數光學常數-折射率n 和消光系數k。該方法主要根據薄膜的反射光譜即可實現,沒有其它的限制,具有廣泛的應用性。
1、光學原理及擬合過程
1.1、光學原理
根據薄膜光學原理進行反射率的計算方法通常采用傳輸矩陣法,但該方法沒有考慮在界面的多次反射。有效界面法( 史密斯法) 考慮了電磁波在薄膜在空氣-薄膜界面、薄膜-基底界面的多次反射,因此本論文主要利用薄膜光學理論的有效界面法。根據有效界面法的原理,薄膜的反射系數r 及光譜反射率R 可表示為
結論
本文借助鈣鈦礦結構材料的色散模型,利用反射光譜擬合法反演了La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的折射率n 和消光系數k ,通過該方法得到的擬合光譜與光譜儀測試得到的反射光譜較為一致,說明鈣鈦礦結構材料的色散模型適用于描述La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的光學特性,利用該色散模型并通過光譜擬合法獲得La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的復數光學常數是獲得此材料光學特性的一種有效的方法。