СПЕКТРОМЕТР ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к исследованиям быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно к мгновенному определению спектров поглощения тонких слоев, свойства которых изменяются с течением времени, путем рефлексометрической регистрации условий возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на поверхности образца с исследуемым тонким слоем в определенном спектральном диапазоне и может найти применение в спектрометрии адсорбционных слоев, например для исследования хода каталитических реакций, в устройствах, контролирующих внешние воздействия импульсного характера.

Спектрометрия одна из основных областей применения ПЭВ [1 и 2] В ИК ПЭВ-спектрометрах для снятия спектров поглощения адслоев используются двух призменные устройства. В таких устройствах непосредственно измеряется длина распространения ПЭВ в определенном дискретном диапазоне длин волн излучения перестраиваемого по частоте лазера [3]
Основной недостаток таких ПЭВ-спектрометров продолжительное (несколько часов) время измерения спектров.

Время снятия спектров поглощения адслоев с использованием ПЭВ значительно сокращается в случае рефлектометрической регистрации возбуждения ПЭВ, для чего используется одна из схем метода нарушенного внутреннего отражения (НПВО): схема Отто для непрозрачных образцов, схема Кречманна для полупрозрачных образцов [1 и 2]
Известен ПЭВ-спектрометр, содержащий источник монохроматического излучения, поляризатор, выделяющий p-составляющую излучения, сканируемый по углу отражатель, треугольную призму НПВО с показателем преломления n_пр, отделенную от исследуемой плоской поверхности образца однородным по толщине слоем связи толщиной h меньше глубины проникновения поля ПЭВ в материал этого слоя с показателем преломления n_сл < n_пр, фотоприемное устройство [4 и 5] Спектр углов падения излучения включает углы падения равные и близкие к углу возбуждения ПЭВ θ_o.

Таким образом, в отраженном излучении регистрируют резонансный провал интенсивности, обусловленный возбуждением ПЭВ. Угловая ширина Δθ и угловое положение минимума резонансного провала q_o связаны с комплексным волновым числом ПЭВ k k'+j•k'' (где j мнимая единица) соотношениями [1 и 2]

где k_o = 2π/λ, λ длина волны излучения в вакууме.

Зная k, решают дисперсионное уравнение ПЭВ для данной волноведущей структуры и однозначно определяют параметры адслоя (его толщину или оптические постоянные).

Основными недостатками данного устройства являются:
необходимость углового сканирования падающего излучения;
смещение светового пятна на основании призмы при угловом сканировании падающего излучения;
сложность обеспечения однородности толщины слоя связи (особенно в видимом диапазоне, где h ≈ λ).

Двух последних недостатков не имеет устройство [6] в котором треугольная (плоскогранная) призма заменена полой полуцилиндрической призмой арочной формы. Полуцилиндрическая полость заполнена прозрачной жидкостью (маслом) и со стороны своего основания герметично закрыта плоским образцом с нанесенным на него твердотельным слоем связи.

Кроме того, для получения внутри призмы сколлимированного светового пучка на нее направляют сфокусированное монохроматическое излучение.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ПЭВ-спектрометр, содержащий источник белого цвета, поляризатор, фокусирующую линзу, для получения внутри призмы НПВО сколлимированного луча света, полуцилиндрическую стеклянную призму с нанесением на ее основание полупрозрачной металлической пленкой и последовательно расположенные по ходу отраженного излучения дифракционной монохроматор и фотоприемное устройство (ФПУ), снабженное линейкой фотоприемников, причем источник света, фокусирующая линза и поляризатор размещены на одном плече, а монохроматор и ФПУ 0 на другом плече поворотного механизма, обеспечивающего равенство и синхронное изменение угла падения и угла отражения излучения [7 и 8]
Угол падения (отражения) q-излучения плавно регулируется в заданном интервале углов. При определенных q на выходе монохроматора мгновенно измеряется, с определенным шагом, зависимость коэффициента отражения R_р от длины волны излучения l.

Таким образом, основным недостатком известного ПЭВ спектрометра является необходимость выполнения углового сканирования источника и приемника излучения, что не позволяет мгновенно измерять спектры поглощения адслоев и снижает надежность функционирования устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в рефлектометрическом ПЭВ-спектрометре, содержащем источник белого света, коллиматор, поляризатор, призму НПВО, диспергирующий элемент и ФПУ, снабженное линейкой фотоприемников, устройство обработки и выдачи результатов измерений и расчетов, призма выполнена в виде прозрачного сосуда, наполненного жидкостью с показателем преломления n_пр большим показателя преломления окружающей среды, дном сосуда является съемная прозрачная жесткая пластинка с показателем преломления n_пл n_пр, на внешнюю поверхность которой нанесена полупрозрачная металлическая пленка (образец), по ходу падающего и отраженного луча в жидкости размещены два ломаных зеркала с одним и тем же числом одинаковых граней, равным числу размещенных на пути отраженного от второго зеркала излучения диспергирующих элементов и ФПУ, каждое из которых снабжено линейкой фотоприемников.

В случае исследования адслоев на поверхности непрозрачного металлического или полупроводникового образца прозрачная пластинка без металлической пленки размещается параллельно поверхности образца на расстоянии, не превышающем глубину проникновения поля ПЭВ в окружающую среду.

В результате сокращается время, необходимое для измерения спектра поглощения ПЭВ, с нескольких минут (у прототипа) до нескольких микросекунд (необходимых для срабатывания ФПУ и устройства обработки результатов измерений).

Кроме того, в результате отсутствия перемещающихся элементов повышается надежность функционирования рефлектометрического ПЭВ-спектрометра.

На фиг. 1 приведена функциональная схема рефлектометрического ПЭВ-спектрометра, предназначенного для исследования адслоев на полупрозрачных металлических или полупроводниковых образцах.

На пути белого света источника 1 последовательно размещены коллиматор 2, поляризатор 3, прозрачный сосуд 4, заполненный жидкостью 5 с показателем преломления n_пр большим показателя преломления окружающей среды 6, дном которого служит съемная жесткая прозрачная пластинка 8 с показателем преломления n_пл n_пр, на которую нанесена полупрозрачная металлическая или полупроводниковая пленка (образец) 9; на пути луча света, входящего в сосуд 4 и отраженного от пластинки 8 с образцом 9, последовательно расположены два ломаных зеркала с одинаковым числом граней, по ходу светового пучка состоящего из N лучей, выходящего из сосуда 4, установлены N-диспергирующих элементов 10, каждый из которых оптически связан с соответствующим ФПУ 11, снабженным линейкой фотоприемников, число фотоэлементов в которой определяет количество экспериментально снятых точек дифракционного спектра сколлимированного отраженного от образца 9, под углом определяемым ориентацией соответствующей грани первого ломаного зеркала 7, луча белого света, при этом все ФПУ 11 электрически соединены с устройством обработки и выдачи результатов измерений и расчетов 12.

Спектрометр работает следующим образом.

Сколлимированный белый свет источника 1 из коллиматора 2 поступает на поляризатор 3, выделяющий p-компоненту излучения. Далее сколлимированный p-поляризационный белый свет проходит через прозрачную стенку сосуда 4 и освещает первое ломаное зеркало 7. Излучение, отраженное от освещенных граней первого зеркала 7, направляется под различными углами падения (определяемыми ориентацией граней зеркала), диапазон которых включает углы возбуждения ПЭВ для всех монохроматических волн Фурье-спектра белого света, на один участок прозрачной пластинки с нанесенной не ее внешнюю сторону полупрозрачной пленкой-образцом 9. Поскольку показатель преломления жидкости 5 больше показателя преломления окружающей среды 6 во всем диапазоне частот спектра белого света, то при данном угле падения q_i на каждой частоте возможно возбуждение ПЭВ с определенной эффективностью. Для i-го луча сколлимированного белого света, характеризуемого углом падения θ_i, возбуждение ПЭВ будет происходить наиболее эффективно на частоте λ_j, удовлетворяющей условию синхронизма (1) фазовых скоростей ПЭВ и тангенциальной компоненты плоской монохроматической волны с частотой λ_j.

Таким образом, интенсивность монохроматических волн, входящих в спектр луча белого света, отраженного под углом θ_i, будет изменена в соответствии с эффективностью возбуждения ПЭВ этой волной.

После отражения от второго ломаного зеркала 7, грани которого могут быть расположены относительно друг друга под большими углами по сравнению с гранями первого ломаного зеркала с целью большего углового разнесения анализируемых пусков белого света, все лучи белого света проходят сквозь прозрачную стенку сосуда 4 и падают на соответствующий диспергирующий элемент 10.

Диспергирующие элементы 10 разлагают отраженные лучи белого света на составляющие из монохроматические волны, направляемые на ФПУ 11. Совокупность сигналов со всех ФПУ 11 в данный момент времени представляет собой спектр поглощения ПЭВ волноведущей структурой, образованной прозрачной пластинкой 8, образцом 9 и окружающей средой 6. Время снятия спектра поглощения ПЭВ ограничено лишь временем срабатывания ФПУ. Формирование или модификация адслоя на внешней поверхности образца 9 приводит к изменению спектра поглощения ПЭВ.

Устройство обработки результатов 12 сравнивает спектры поглощения ПЭВ и после формирования или модификации адслоя, получают усиленные ПЭВ поглощения адслоя. Причем мгновенные спектры поглощения ПЭВ позволяют определять оптические постоянные адслоя по данной длине волны в любой момент времени. Для этого, используя зависимости R_p(λ), полученные при различных θ_i, строят зависимости R_p(θ) и определяют величины θ_o и Δθ для различных l Затем, используя соотношения (1) и (2), рассчитывают k k'+j k'' и, подставляя k в дисперсионном уравнение ПЭВ для соответствующей волноведущей структуры, находят оптические постоянные адслоя (при условии, что другие параметры структуры известны).

Работа ПЭВ-спектрометра на примере волноведущей структуры "кварцевое стекло -полупрозрачная серебряная пленка адслой монооксида углерода толщиной d воздух (окружающая среда)" в видимом диапазоне l 400 700 нм).

Толщина кварцевой пластинки, выполняющей роль дна сосуда 5, должна быть достаточной для обеспечения механической прочности и по сравнению с глубиной проникновения поля ПЭВ является бесконечно большой. Показатель преломления кварцевого стекла на средней частоте выбранного диапазона, соответствующей l 550 нм, равен 1,46 и изменяется лишь в третьем знаке после запятой [9] В качестве жидкости, заполняющей сосуд 5, выберем раствор сахарозы, показатель преломления которой пропорционален концентрации раствора и может быть сделан равным 1,46 [10] Толщину серебряной пленки выберем равной 580 нм при которой на l 550 нм эффективность возбуждения ПЭВ в описанной структуре максимальна (≈100). Оптические постоянные серебра взяты из [9] адслоя CO из [11]
Результаты мгновенных измерений, выполненных с помощью предлагаемого ПЭВ-спектрометра, можно представить в виде набора кривых R_p(λ), полученных при различных углах падения θ, число которых N равно числу освещенных граней каждого из зеркал. Число экспериментально подтверждений точек на этих кривых равно числу фотоприемников в линейке каждого из ФПУ.

На фиг. 2, а приведены рассчетные зависимости R_p(λ) для угла падения θ = θ_o(λ = 600 нм) 45^o20'; на фиг. 2, б для θ = θ_o(λ = 500 нм) 47^o00'.

Зависимости R_p(λ) позволяют построить кривые R_p(θ) для дискретного набора λ т.е. получить спектр поглощения ПЭВ адслоем, и затем по выше изложенной методике рассчитать оптические постоянные адслоя для рабочих длин волн. Выполнение такого объема измерений на спектрометре-прототипе, потребовало бы проведения N измерений, сопровождаемых дискретным перемещением источника излучения и ФПУ.

Таким образом, предлагаемый спектрометр по сравнению с прототипом позволяет сократить время одинакового объема измерений и повысить надежность функционирования.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Никитин А. К. Тищенко А. А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения. Зарубежная радиоэлектроника. 1983, N 3, с. 38 56.

2. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В. М. Аграновича и Д. Л. Миллса. М.Наука, 1985, 525 с.

3. Chabal Y. J. Surface infrared spectroscopy. Surface Science Reports. 1988, v. 8, p. 211 351.

4. Otto A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in suver by the method of frastrated total reflection. Z. Physik. 1968, v. 216, p. 398 - 410.

5. Lenfernik A. T. M. Kooymann R. P. H. and Greve J. An improved optical method for surface plasmon resonance experiments. Sensors and Actuators (B). 1991, V. 3, N 4, p. 261 265.

6. Otto A. Spectroscopy of surface polaritons by attenuated total reflection. In "Optical properties of solids, new developments". Amsterdam, 1976, p. 677 729.

7. Hatta A. Suzuki S. and Suetaka W. Polarization-modulation electronic absorption study of copper phtalocyanine films on silver by surface plasmon resonance spectroscopy. Applied Surface Science. 1989, v. 40, N 1/2, p. 9-18.

8. Hatta A. and Inoue T. Electronic absorption enhancement for TCNQ films on silver by excitation of surface plasmon polaritons. Applied Surface Scieace. 1991, v. 51, N 3/4, p. 193 200 (прототип).

9. Золотарев В. М. Морозов В. Н. Смирнова Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.Химия, 1984, 215 с.

10. Mahmood M.Y. and Azizan A.R. Refractive index of solutions at high concentrations. Applied Optics. 1988, v. 27, N 16, p. 3341 3343.

11. Pockrand I. Surface plasma oscillations at silver surfaces with thin transparent and absorbing coatings. Surface Science. 1978, v. 76, N 3, p. 577 588.

Использование: исследование быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами. Сущность изобретения: в рефлектометрическом ПЭВ-спектрометре, содержащем источник белого света, коллиматор, поляризатор, призму НПВО, диспергирующий элемент и ФПУ, снабженное линейкой фотоприемников, устройство обработки и выдачи результатов измерений и расчетов, призма выполнена в виде прозрачного сосуда, наполненного жидкостью с показателем преломления n_пр большим показателя преломления окружающей среды. Дном сосуда является съемная прозрачная жесткая пластинка с показателем преломления n_пл = n_пр, на внешнюю поверхность которой нанесена полупрозрачная металлическая пленка. По ходу падающего отраженного луча в жидкости размещены два ломаных зеркала с одним и тем же числом одинаковых граней, равным числу размещенных на пути отраженного от второго зеркала излучения диспергирующих элементов и ФПУ, каждое из которых снабжено линейкой фотоприемников. 2 ил.

Спектрометр поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), содержащий источник белого света, коллиматор, поляризатор, призму НПВО, диспергирующий элемент, ФПУ, снабженное линейкой фотоприемников, устройство обработки и выдачи результатов измерений и расчетов, отличающийся тем, что в спектрометр введены дополнительные диспергирующие элементы и дополнительные ФПУ, призма выполнена в виде прозрачного сосуда, наполненного жидкостью с показателем преломления n_п р, большим показателя преломления окружающей среды, дном сосуда служит съемная прозрачная жесткая пластинка с показателем преломления n_п л n_п р, на внешнюю поверхность которой нанесена полупрозрачная металлическая пленка, по ходу падающего и отраженного луча в жидкости размещены два ломаных зеркала с одним и тем же числом одинаковых граней, равным числу размещенных на пути отраженного от второго зеркала излучения диспергирующих элементов и ФПУ, каждое из которых снабжено линейкой фотоприемников.