調(diào)整光學(xué)方法用于納米級(jí)測(cè)量

關(guān)鍵字： 納米級(jí)測(cè)量 光學(xué)方法

在納米尺度范圍內(nèi)，一些我們熟悉的材料特性會(huì)改變。因此隨著向納米領(lǐng)域探索的深入，不僅要表征新材料，而且越來(lái)越需要對(duì)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(guó)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(jí)測(cè)量需求的研究型實(shí)驗(yàn)室。他正著眼于包含線性模式和非線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性光學(xué)測(cè)量方法。你輸入某一波長(zhǎng)，隨即看到該波長(zhǎng)的輸出。”

橢圓偏振法檢測(cè)表面或光柵結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，或者橢圓偏振測(cè)量的數(shù)據(jù)可用于散射測(cè)量法；從而你可以了解光柵結(jié)構(gòu)CD的線型和結(jié)構(gòu)。”這些普遍用于半導(dǎo)體材料的測(cè)量方法對(duì)納米技術(shù)也同樣重要。

納米尺度對(duì)線性光學(xué)測(cè)量的影響很容易被理解。對(duì)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(yīng)而改變；我們可以將這種特性轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體材料也是如此；因此只需設(shè)計(jì)出某一單晶薄膜的工序即可?？捎糜趩尉О雽?dǎo)體薄膜測(cè)量的方法也可用于那些納米尺度的散射結(jié)構(gòu)。

盡管測(cè)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)著眼于非常薄的薄膜，并且已經(jīng)了解如何克服測(cè)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(duì)金屬薄膜進(jìn)行更好地光學(xué)測(cè)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(jù)半導(dǎo)體測(cè)量進(jìn)行調(diào)整。它們都將是新實(shí)驗(yàn)室一個(gè)很重要的研究部分。美國(guó)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(duì)薄膜光學(xué)特性的影響，其方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

在非線性領(lǐng)域中，同樣的光強(qiáng)——波長(zhǎng)——輸入會(huì)得到不同波長(zhǎng)的輸出。為什么要超越線性測(cè)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(hào)強(qiáng)度比輸入信號(hào)弱許多，但是在某種特定的實(shí)驗(yàn)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(duì)于線性光學(xué)方法，由光學(xué)非線性二次諧波帶來(lái)的附加靈敏度是相當(dāng)可觀的。

SHG應(yīng)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(yīng)用到硅上的高k材料。同樣的概念對(duì)于所有納米級(jí)的樣品也適用。

納米級(jí)結(jié)構(gòu)也將是該新實(shí)驗(yàn)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(cè)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(qiáng)度的二次諧波信號(hào)，該信號(hào)可用于多種光學(xué)特性的表征。納米點(diǎn)已經(jīng)試驗(yàn)性地用在未來(lái)的存儲(chǔ)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性和非線性光學(xué)方法來(lái)探索材料中不同的納米尺寸效應(yīng)。這些線性和非線性光學(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(cè)量，結(jié)構(gòu)特征的一致性測(cè)量以及最終生產(chǎn)中所有的納米級(jí)測(cè)量。