СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ СПЕКТРОСКОПИИ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно к мгновенному определению спектров поглощения тонких переходных слоев путем регистрации характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), возбуждаемых на поверхности образца и называемых в видимом диапазоне поверхностными плазмонами или поверхностными плазменными поляритонами (ППП), и может найти применение в спектрометрии окисных и адсорбционных слоев; например, для исследования хода каталитических реакций или в устройствах, контролирующих внешние импульсные воздействия.

Спектроскопия - одна из основных областей применения ПЭВ [1 и 2]. В инфракрасном диапазоне усиленные спектры поглощения переходного слоя проводящей поверхности получают, измеряя зависимость длины распространения ПЭВ по исследуемой поверхности от частоты излучения [3 и 4]. Основные недостатки такого метода спектрометрии - продолжительное (несколько часов) время измерений, большая интенсивность возбуждающего ПЭВ излучения, дискретность измерений, связанная с использованием перестраиваемых лазерных источников излучения.

Процедура измерений значительно упрощается в случае применения рефлектометрической регистрации возбуждения ПЭВ. В этом способе измерения выполняют по одной из схем метода нарушенного полного внутреннего отражения, причем измеряемой величиной является угол падения Φ_o, соответствующий минимальной интенсивности отраженного света и максимальной эффективности возбуждения ПЭВ излучением с данной частотой ν [1 и 2]. При использовании монохроматического падающего излучения измерения необходимо выполнить многократно, изменяя частоту излучения, что приводит к большим трудовым и временным затратам. При использовании же в качестве возбуждающего излучения набора сколлимированных пучков белого света, падающих на исследуемую поверхность под различными углами Φ и разлагаемых после отражения на спектральные составляющие, измерения носят дискретный характер, вследствие конечности числа падающих пучков света, а точность измерений ограничена возможностями фотометрического метода [5].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ выполнения частотно-угловой спектроскопии переходного слоя проводящей поверхности с помощью ППП, возбуждаемых в тонких металлических пленках [6]. Способ включает воздействие на поверхность образца сфокусированным белым светом, возбуждение этим светом на ней ППП, разложение отраженного света на спектральные составляющие, регистрацию углового распределения интенсивности излучения отдельных составляющих, определение оптимального угла возбуждения ППП Φ_o каждой регистрируемой составляющей, построение по результатам измерений кривых дисперсии ППП k′(ν) до и после формирования переходного слоя, где k' - действительная часть волнового вектора ППП. Основным недостатком известного способа является низкая точность определения значений угла Φ_o,что является следствием невысокой точности фотометрических измерений [7].

В основу изобретения поставлена задача разработки нового способа выполнения спектроскопии переходного слоя проводящей поверхности, позволяющего повысить точность измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе выполнения спектроскопии переходного слоя проводящей поверхности, включающем воздействие на поверхность образца сфокусированным белым светом, возбуждение этим светом на ней ППП, разложение отраженного света на спектральные составляющие, регистрацию излучения отдельных составляющих, определение оптимального угла возбуждения ППП Φ_o каждой составляющей, а также построение по результатам измерений кривой дисперсии ППП k′(ν), падающий свет выбирают плоско поляризованным с отличными от нуля p- и s-компонентами поля, кроме того, для каждой контролируемой составляющей компенсируют разность фаз между компонентами поля, возникающую при возбуждении ППП, а величину угла Φ_o определяют по максимальному углу наклона плоскости поляризации данной составляющей относительно плоскости падения.

Повышение точности определения угла Φ_o при использовании поляриметрического детектирования фотонного возбуждения ППП по сравнению с фотометрическими измерениями обосновано в работе [8]. В ней показано, что при оптимальных условиях возбуждения ППП точность определения величины угла Φ_o методом поляриметрии превосходит точность определения этого угла фотометрическим методом примерно на два порядка и составляет единицы угловых секунд. Эффект повышения точности измерений достигается благодаря следующим причинам: во-первых, угловое положение плоскости поляризации отраженного излучения в большей мере зависит от эффективности возбуждения ППП η, чем от коэффициента отражения p-компоненты излучения; во-вторых, точность поляриметрических измерений существенно выше точности фотометрических измерений (точность серийных поляриметров равна 1' [9], что составляет 0,05% от максимального угла поворота плоскости поляризации отраженного излучения; имеющего место при возбуждении ППП; точность же фотометрических измерений составляет лишь 1% от максимальной интенсивности контролируемого светового потока [7]).

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник белого света, 2 - коллиматор, 3 - поворачиваемый поляризатор, 4 - фокусирующий объектив, 5 - прозрачная призма, выполненная из оптически более плотного по сравнению с окружающей средой материала, 6 - проводящий образец с плоской исследуемой поверхностью, 7 - переходный слой поверхности образца, 8 - фокусирующий объектив, 9 - спектрометр, 10 - набор клиновидных компенсаторов, изготовленных из отрицательных кристаллов, причем ребро клина каждого компенсатора ориентировано перпендикулярно плоскости падения и параллельно поверхности образца, а оптическая толщина изменяется по линейному закону от нуля до длины волны излучения, 11 - набор равномерно вращающихся анализаторов, 12 - блок регистрации оптических сигналов и обработки информации.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 формируют в параллельный пучок лучей коллиматором 2, поляризуют поляризатором 3 таким образом, чтобы плоскость поляризации была наклонена относительно плоскости падения, фокусируют объективом 4 и направляют на боковую грань призмы 5. В призме 5 сфокусированный белый свет падает на другую ее грань (основание), ориентированную параллельно поверхности образца 6, под углом больше критического угла для границы раздела "призмы - окружающая среда". Экспоненциально затухающее поле отраженного света проникает в зазор, заполненный окружающей средой и отделяющий основание призмы от поверхности образца 6, и возбуждает на ней ряд ППП, соответствующий спектральному составу света. Эффективность возбуждения ППП зависит от частоты спектральной составляющей, показателя преломления окружающей среды, величины зазора, а также от оптических постоянных образца 6 и параметров переходного слоя 7. Отраженный от основания призмы 5 свет выходит через третью ее боковую грань и падает на объектив 8, который фокусирует свет на входную щель спектрометра 9. Спектрометр 9 разлагает свет на спектральные составляющие, сохраняя или изменяя определенным образом их угловую расходимость. Из спектрометра 9 свет выходит в виде нескольких расходящихся монохроматических пучков. Каждый из пучков последовательно проходит через один из клиновидных компенсаторов набора 10 и один из вращающихся анализаторов набора 11, а затем поступает на вход блока регистрации 12. Для любого пучка лучей данной спектральной составляющей, отраженного под углом Φ, каждый из компенсаторов вносит дополнительный набег фазы для s- компоненты, линейно изменяющийся от нуля до 2π по мере увеличения толщины клина. Следовательно, для каждой спектральной составляющей излучения найдется такая пара значений угла Φ и толщины компенсатора, при которой изменение фазы p-компоненты из-за возбуждения ППП и набег фазы для s-компоненты, вносимый компенсатором, окажутся равными, что обусловит линейную поляризацию отраженного излучения в этом луче пучка. Такой луч может быть полностью "погашен" с помощью вращающегося анализатора в тот момент, когда плоскость поляризации излучения в луче перпендикулярна плоскости пропускания анализатора. Угол падения, при котором происходит полное "гашение" отраженного излучения, соответствует углу Φ_o оптимального возбуждения ППП на поверхности образца данной спектральной составляющей. Совокупность значений Φ_o, определенных для контролируемых спектральных составляющих, позволяет построить кривую дисперсии k′(ν) вначале для чистой поверхности (без переходного слоя), а затем и для контролируемой поверхности с переходным слоем на ней. Различие обеих кривых позволяет однозначно идентифицировать переходный слой, как это производится в способе-прототипе.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения спектра поглощения пленки CaF₂ толщиной 10 нм, нанесенной на медную подложку, в диапазоне длин волн λ от 0,6 до 1,0 мкм. Для возбуждения ППП на поверхности подложки, размещенной в воздухе, выберем треугольную призму, выполненную из кварцевого стекла. Значения оптических постоянных всех названных материалов взяты из [9]. Величину воздушного зазора между исследуемой поверхностью и боковой гранью призмы, обращенной к образцу, выберем равной 0,8 мкм, т.е. оптимальной для возбуждения ППП излучением со средним значением λ выбранного спектрального диапазона.

На фиг. 2 приведены расчетные кривые дисперсии ППП k′(ν) для рассматриваемого примера: кривая 1 соответствует чистой поверхности подложки, кривая 2 - при наличии на подложке слоя CaF₂. Различие кривых дисперсии зависит от параметров переходного слоя и позволяет выполнять его идентификацию.

Таким образом, применение поляриметрического метода детектирования возбуждения ППП и определения угла Φ_o, позволяет более тонко дифференцировать вариации свойств переходного слоя и повышает точность спектроскопических измерений.

Источники информации:
1. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения // Зарубежная радиоэлектроника. 1983, N 3, с. 38-56.

2. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение поверхностных электромагнитных волн по металлическим поверхностям // В книге "Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред". Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985, с. 70.

3. Жижин Г. Н. , Никитин А.К., Тищенко А.А., Силин В.И., Черняй А.И., Яковлев В.А. Спектроскопия ПЭВ пятимикронной области спектра // Поверхность (физ., хим., мех.), 1990, N 4, с. 106-112.

4. Zhizhin G.N., Yakoviev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports. 1990, V. 194, N 5-6, p. 281-289.

5. Никитин A.K. Спектрометр поверхностных электромагнитных волн // Патент РФ на изобретение N 2091733. Бюл. N 27 от 27.09.1997 г.

6. Валянский С. И. , Виноградов С.В., Савранский В.В. Частотно-угловая спектроскопия поверхностных плазменных поляритонов, возбуждаемых в тонких металлических пленках // Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, вып. 5, с. 70-73. (прототип)
7. Кабашин А. В. , Никитин П.И. Интерферометр с использованием поверхностного плазменного резонанса для сенсорных применений // Квантовая электроника, 1997, т. 24, N 7, с. 671-672.

8. Никитин A.K. Поляриметрическое детектирование фотонного возбуждения поверхностных плазмонов // Квантовая электроника, 2000, т. 30, N 1, с. 73-77.

9. Запасский B. C. Методы высокочувствительных поляриметрических измерений // ЖПС, 1982, т. 37, вып. 2, с. 181-196.

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно к мгновенному определению спектров поглощения тонких переходных слоев путем регистрации характеристик возбуждаемых на поверхности образца поверхностных плазменных поляритонов (ППП), может найти применение в спектрометрии окисных и адсорбционных слоев. Способ включает воздействие на поверхность образца сфокусированным белым светом, возбуждение этим светом на ней ППП, разложение отраженного света на спектральные составляющие, регистрацию излучения отдельных составляющих, определение оптимального угла возбуждения ППП Φ_o каждой составляющей, построение по результатам измерений кривой дисперсии ППП k′(ν).Падающий свет выбирают плоскополяризованным с отличными от нуля р- и s-компонентами поля, кроме того, для каждой контролируемой составляющей компенсируют разность фаз между компонентами поля, возникающую при возбуждении ППП, а величину угла Φ_o определяют по максимальному углу наклона плоскости поляризации данной составляющей относительно плоскости падения. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 ил.

Способ выполнения спектроскопии переходного слоя проводящей поверхности, включающий воздействие на поверхность образца сфокусированным белым светом, возбуждение этим светом на ней поверхностных плазмонных поляритонов, разложение отраженного света на спектральные составляющие, регистрацию излучения отдельных составляющих, определение оптимального угла возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов Φ_o каждой составляющей, построение по результатам измерений кривой дисперсии поверхностных плазмонных поляритонов ν(k′), где ν- частота излучения, а k' - действительная часть волнового вектора поверхностных плазмонных поляритонов с частотой ν, отличающийся тем, что падающий свет выбирают плоско поляризованным с отличными от нуля р- и s-компонентами поля, кроме того, для каждой контролируемой составляющей компенсируют разность фаз между компонентами поля, возникающую в процессе возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов, а величину угла Φ_o определяют по максимальному углу наклона плоскости поляризации данной составляющей относительно плоскости падения.