橢偏儀作為表征光學薄膜性能的核心工具，在光學薄膜領域具有不可替代的作用。本研究聚焦基底類型（K9玻璃、石英玻璃、單晶硅）對溶膠-凝膠法制備的TiO?和SiO?薄膜光學性能的調(diào)控機制。Flexfilm費曼儀器作為國內(nèi)領先的薄膜材料檢測解決方案提供商，致力于為全球工業(yè)智造提供精準測量解決方案。

其中全光譜橢偏儀可以精確量化薄膜的折射率、消光系數(shù)及厚度參數(shù)，揭示基底結(jié)構差異對薄膜微觀形貌與光學常數(shù)的內(nèi)在影響規(guī)律，為高性能減反膜及光學器件的基底選型提供理論支撐。

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橢偏測量原理

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Δ 是橢偏法的位相參量， 反映了反射前后 p 波和 s 波位相差的變化；ψ 是橢偏法的振幅參量，反映了 p 波與 s 波的振幅比在反射前后的變化。橢圓偏振儀的原理是利用 p 分量與 s 分量間具有一定相位差的等幅橢圓偏振光入射到樣品表面，使反射光成為線偏振光，通過對入射 p 與 s 分量間相位差及反射線偏振方位角的測量獲得涵蓋樣品光學參量的相關信息。

式中：rp和 rs分別為對于 p 分量和 s 分量材料的反射系數(shù)；εs和 εa別為樣品和環(huán)境的介電常數(shù)，環(huán)境通常為空氣，εa=1；φ為入射角。

通過對光強信號隨偏振器方位角的變化作傅里葉變換，求得橢偏參數(shù) ψ 和 Δ；再利用兩組模型計算樣品的表觀介電常數(shù)，進而可得到其他光學參數(shù)。折射率和消光系數(shù)分別表示為：

單晶硅基底上 TiO?(a, b)和 SiO?(c, d)薄膜的橢偏參量測量和擬合結(jié)果

同時通過前期分別對TiO?/單晶硅薄膜、SiO?/單晶硅薄膜橢偏參數(shù)的擬合分析發(fā)現(xiàn)：單晶硅基底上的兩種薄膜誤差最小。 因此選用單晶硅基底上的TiO?與SiO?薄膜進行擬合分析。

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不同基底對薄膜折射率的影響

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不同基底上TiO?、SiO?薄膜的折射率

由橢偏儀測量結(jié)果可知，單晶硅基底上的 TiO?和 SiO?薄膜折射率均為最大，TiO?薄膜在三種基底上折射率順序為單晶硅＞K9 玻璃＞石英玻璃，SiO?薄膜則為單晶硅＞石英玻璃＞K9 玻璃。這是因為單晶硅基底晶格匹配度高、粗糙度小，薄膜更致密，而基底與薄膜的線膨脹系數(shù)、化學組成等也影響折射率。

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不同基底對薄膜消光系數(shù)的影響

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不同基底上 TiO?、SiO?薄膜的消光系數(shù)

橢偏數(shù)據(jù)揭示消光系數(shù)（k）隨波長增大而遞減，且基底依賴性顯著：

TiO?薄膜：單晶硅基底k值最低（@400 nm: 0.015±0.003），K9玻璃次之（0.028±0.005）

SiO?薄膜：所有基底k<0.005（可忽略吸收），但單晶硅基底表面裂紋少

熱失配效應：石英玻璃與TiO?線膨脹系數(shù)差（Δα=1.39×10??/℃）引發(fā)界面張力，導致膜層缺陷增多→k值升高。

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不同基底對薄膜透光率的影響

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不同基底上TiO?、SiO?薄膜的透光率

透光率方面，K9 玻璃基底上 TiO?薄膜透光率高于石英玻璃基底，SiO?薄膜在兩種非晶基底上透光率峰值相差不大，這與基底對薄膜晶粒生長、表面狀態(tài)的影響有關。

橢偏儀定量揭示了基底-薄膜匹配機制：單晶硅基底因低晶格失配度（界面粗糙度σ<1 nm）使TiO?/SiO?薄膜折射率提升（n=2.27/1.43），而熱膨脹系數(shù)差異導致非晶基底上TiO?光學常數(shù)分散性增大（Δn>0.6）。該研究為光學薄膜體系中基底選擇提供了橢偏數(shù)據(jù)支撐，尤其在高精度減反膜設計場景中，單晶硅基底可優(yōu)化界面光學性能。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀可以高精度橢偏測量不同基底上 TiO?與 SiO?薄膜的折射率n、消光系數(shù)k及其誤差。Flexfilm費曼儀器致力于幫助客戶實現(xiàn)工藝優(yōu)化、性能提升及合規(guī)認證，以創(chuàng)新技術賦能智能制造，助力全球薄膜材料領域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《不同基底對 TiO2 和 SiO2 薄膜的光學性能的影響》

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