調整光學(xué)方法用于納米級測量

關(guān)鍵字： 納米級測量 光學(xué)方法

在納米尺度范圍內，一些我們熟悉的材料特性會(huì )改變。因此隨著(zhù)向納米領(lǐng)域探索的深入，不僅要表征新材料，而且越來(lái)越需要對熟知的材料進(jìn)行研究。

來(lái)自納米科學(xué)與工程學(xué)院的納米科學(xué)“帝國創(chuàng )新教授”（Empire Innovation Professor）Alain Diebold正在創(chuàng )建一個(gè)探索未來(lái)納米級測量需求的研究型實(shí)驗室。他正著(zhù)眼于包含線(xiàn)性模式和非線(xiàn)性模式的多種新老光學(xué)技術(shù)。如Alain Diebold所述：“橢圓偏振法就是一種線(xiàn)性光學(xué)測量方法。你輸入某一波長(cháng)，隨即看到該波長(cháng)的輸出。”

橢圓偏振法檢測表面或光柵結構的反射光中極化的變化。Diebold教授指出：“分析此變化可以獲得薄膜厚度的數據，或者橢圓偏振測量的數據可用于散射測量法；從而你可以了解光柵結構CD的線(xiàn)型和結構。”這些普遍用于半導體材料的測量方法對納米技術(shù)也同樣重要。

納米尺度對線(xiàn)性光學(xué)測量的影響很容易被理解。對于非常薄的單晶硅薄膜來(lái)講，其光學(xué)特性會(huì )因量子局限效應而改變；我們可以將這種特性轉變?yōu)閮?yōu)點(diǎn)。半導體材料也是如此；因此只需設計出某一單晶薄膜的工序即可?？捎糜趩尉О雽w薄膜測量的方法也可用于那些納米尺度的散射結構。

盡管測量金屬薄膜比較困難，但仍有簡(jiǎn)單的解決方案。“他們已經(jīng)著(zhù)眼于非常薄的薄膜，并且已經(jīng)了解如何克服測量非常薄的、多晶金屬薄膜時(shí)遇到的難點(diǎn)。同樣，晶粒尺寸會(huì )影響金屬薄膜的介電特性，為了對金屬薄膜進(jìn)行更好地光學(xué)測量，他們已了解了如何克服會(huì )遇到的難點(diǎn)。”Diebold教授說(shuō)。

這些技術(shù)可以被移植，并且易于根據半導體測量進(jìn)行調整。它們都將是新實(shí)驗室一個(gè)很重要的研究部分。美國托萊多大學(xué)（The University of Toledo）的Rob Collins教授研究了許多種材料，并且確定了如何利用晶粒尺寸對薄膜光學(xué)特性的影響，其方法與實(shí)驗數據非常吻合。

在非線(xiàn)性領(lǐng)域中，同樣的光強——波長(cháng)——輸入會(huì )得到不同波長(cháng)的輸出。為什么要超越線(xiàn)性測量呢？一個(gè)主要的原因是界面總是很難表征，并且二次諧波的產(chǎn)生（SHG）總會(huì )帶來(lái)這樣的問(wèn)題。SHG的頻率與輸入光不同，而是輸入頻率的2倍，即2次諧波。

盡管SHG信號強度比輸入信號弱許多，但是在某種特定的實(shí)驗條件以及輸入輸出光的極化作用下，我們還是可以在界面獲得較高的靈敏度。相對于線(xiàn)性光學(xué)方法，由光學(xué)非線(xiàn)性二次諧波帶來(lái)的附加靈敏度是相當可觀(guān)的。

SHG應用的一個(gè)經(jīng)典例子是SiO2/Si界面特性的表征。德州大學(xué)（University of Texas）奧斯汀分校的Micheal Downer教授的小組將此方法拓展并應用到硅上的高k材料。同樣的概念對于所有納米級的樣品也適用。

納米級結構也將是該新實(shí)驗室的一個(gè)研究領(lǐng)域。嵌入在SiO2中的硅納米點(diǎn)便是SHG測量方法在此領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)例。納米點(diǎn)具有很大的表面積，會(huì )產(chǎn)生高強度的二次諧波信號，該信號可用于多種光學(xué)特性的表征。納米點(diǎn)已經(jīng)試驗性地用在未來(lái)的存儲器概念中；它們也正用于生產(chǎn)高效率，低能耗的商用固態(tài)照明器件。

該研究的主要目的是采用線(xiàn)性和非線(xiàn)性光學(xué)方法來(lái)探索材料中不同的納米尺寸效應。這些線(xiàn)性和非線(xiàn)性光學(xué)方法既可用于了解新材料的特性，也可用于確定這些特性如何用于材料特性的一致性測量，結構特征的一致性測量以及最終生產(chǎn)中所有的納米級測量。