光谱拟合法确定一种钙钛矿结构薄膜材料的复数光学常数

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:吴春华

  为了获得一种钙钛矿结构镧锶锰氧La0.8Sr0.2MnO3 薄膜材料的复数光学常数,利用光学薄膜原理和数学优化方法,并基于钙钛矿结构材料的色散模型,对磁控溅射技术制备的不同厚度的镧锶锰氧薄膜在波数400~1250 cm-1范围内的反射光谱进行了全谱拟合,并由拟合参数确定了薄膜的复数光学常数。拟合结果显示,测试光谱和拟合光谱较为一致,说明钙钛矿结构材料的色散模型适用于描述La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的光学特性,利用该色散模型并通过光谱拟合法获得La0.8Sr0.2MnO3薄膜的复数光学常数是获得此材料光学特性的一种有效的方法。

  随着材料技术的发展,具有特殊功能的材料被广泛研究,并不断地被应用到微电子器件、传感器件及其它光电器件中。材料的热学性能、电磁性能和光电性能在很大程度上取决于材料的光学性能。因此,研究材料的光学性能,对材料的其它诸多性能的研究也至关重要。

  材料光学常数的确定主要包括理论方法和试验测试两方面。理论方法主要包括通过克喇末-克朗尼克(Kramers-Kronig)关系由材料反射率求解光学常数。但这种方法只能对厚度较大的块体材料的光学常数分析较为适用,而对薄膜材料,基底会对测试得到的反射率曲线存在极大影响。光学常数的试验测试方法有很多种,主要包括椭偏法和棱镜耦合法等。但这些方法通常只能测量材料一定谱段的光学常数,对于存在一定吸收和较大色散的材料,其光学常数的确定存在较大的困难,而且这些方法在实际测量过程中受很多条件的限制,数据处理也容易受到人为因素的影响。

  巨磁阻材料R1-xAxMnO3(R为三价稀土元素,A为二价碱土元素) 因具有特殊的电磁特性而备受人们关注。以La1-xSrxMnO3(LSMO)为例,该材料根据掺杂浓度x 和温度区间的不同处于不同的电磁相,如顺磁绝缘相、顺磁金属相及铁磁金属相等。虽然目前对该材料在电磁特性方面的研究比较多,但光学性能方面的研究还相对比较匮乏。

  本文利用磁控溅射的薄膜沉积方法在石英玻璃基底上制备了其中一种特殊组分的La0.8Sr0.2MnO3 薄膜,利用SYSTEM2000 红外光谱仪对薄膜的反射率进行了测试,并通过光谱拟合法获得了薄膜的自身复数光学常数-折射率n 和消光系数k。该方法主要根据薄膜的反射光谱即可实现,没有其它的限制,具有广泛的应用性。

1、光学原理及拟合过程

1.1、光学原理

  根据薄膜光学原理进行反射率的计算方法通常采用传输矩阵法,但该方法没有考虑在界面的多次反射。有效界面法( 史密斯法) 考虑了电磁波在薄膜在空气-薄膜界面、薄膜-基底界面的多次反射,因此本论文主要利用薄膜光学理论的有效界面法。根据有效界面法的原理,薄膜的反射系数r 及光谱反射率R 可表示为

光谱拟合法确定一种钙钛矿结构薄膜材料的复数光学常数

结论

  本文借助钙钛矿结构材料的色散模型,利用反射光谱拟合法反演了La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的折射率n 和消光系数k ,通过该方法得到的拟合光谱与光谱仪测试得到的反射光谱较为一致,说明钙钛矿结构材料的色散模型适用于描述La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的光学特性,利用该色散模型并通过光谱拟合法获得La0.8Sr0.2MnO3 薄膜的复数光学常数是获得此材料光学特性的一种有效的方法。

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