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金属薄膜光学特性尺寸效应的研究

(理学院应用物理系应用物理专业叶敏)
(学号 1999145215)

内容提要:本论文通过制备不同厚度的金属薄膜,测定它们对不同波长光的反射率和透
射率随膜厚变化的情况,从而深入了解较薄厚度时金属薄膜的光学特性,为研究以金属为材
料的单层膜或纳米多层膜提供依据。
实验中采用(zz-500A)型真空蒸发镀膜机制备铝膜,采用石英晶体振荡器法(型号
为 FTM-V 膜厚监控仪)监控薄膜厚度,并用光干涉法对 FTM-V 膜厚监控仪的工具因子
校正。
光学特性测量中利用 UV-1100 型紫外-可见分光光度计测量了可见光频段超薄 Al 膜、
Co 膜、Cu 膜、Ta 膜和 Mo 膜的反射率和透射率随薄膜厚度变化的关系。超薄金属薄膜在薄
膜生长的不同厚度阶段具有不同的反射特性和透射特性。大部分金属薄膜的生长属于岛状模
式生长,其间所经历的三个阶段为岛状膜、网状膜、连续膜阶段。通过实验表明:在岛状膜
阶段,随金属薄膜厚度增加反射率缓慢增长,而透射率缓慢减少;在网状膜阶段,随金属薄
膜厚度增加反射率增长速度较快,透射率快速降低;在连续膜阶段,反射率趋于平缓,透射
率平缓降低。从实验结果曲线即可见光区反射率和透射率随薄膜厚度变化关系交点曲线图,
我们得到一个特征厚度,该厚度我们认为是金属薄膜生长从网状膜进入连续膜的特征厚度。
因此我们得到结论:金属薄膜光学特性存在明显的尺寸效应。对比 5 种实验样品薄膜生长过
程的结构变化,结构特征变化是导致反射率和透射率尺寸效应的重要原因。
关键词:金属薄膜;反射率;透射率;尺寸效应
教师点评:本文从实验上对金属薄膜的光学特性进行研究,从实验上得到了金属薄膜光
学特性具有尺寸效应的结论,研究结果有一定的实用意义。论文工作量大,不但得到实验结
果,而且进行了较细分析,较好地完成指导老师安排的任务。(点评教师:范平,副教授)

前言
随着物理学的不断发展,一些专门的知识发展成为一个个独立的分支,使得物理学的研
究范围越来越广,而薄膜物理就是一个重要的分支。现在薄膜物理是正在发展的学科,有关
薄膜的性质、薄膜形成机理的某些内容还处于探讨中。而薄膜物理涉及的范围越来越大,应
用越来越广,特别是在电子材料与元器件工业领域中占十分重要的地位。
随着纳米材料科学与技术的飞速发展,满足人们需要的各种纳米材料层出不穷,而超薄
金属膜就是其中一种重要的研究对象。对于厚度较大的金属薄膜(薄膜厚度 d 比块状金属电
子平均自由程λ大得多,即 d>>λ),其光学性质已被广泛研究,数值与块状材料相同,与
膜厚无关。而对于厚度较小(d≈λ)的超薄金属膜,有关其光学性质随特征尺寸变化的规
律却研究得很少。。由于超薄金属膜是微电子、光电子和其他功能材料领域重要的低维材料,
它既可以作为一种特定的纳米功能膜体系,它的特征尺寸可以作为纳米多层复合体系的组
元,因而是纳米材料领域中的重要研究对象,它的特征尺寸就是膜厚 d。有关超薄复合体系
的组元较早的研究是电导率的尺寸效应,当薄膜厚度接近电子平均自由程时,表面散射[1,2]
晶界散射[3]会造成电导率的经典尺寸效应;当特征尺寸接近电子的 Broglie 波长时将出现量
子尺寸效应;近期还在多层膜体系中发现了层间磁耦合和巨磁阻效应[5]等,这些特殊现象
引起了人们的兴趣。[7]
金属薄膜作为纳米多层膜(如软 X 射线多层膜)的一种组成材料时,它的厚度已达到
1
1nm 甚至更薄,因此深入研究超薄金属膜的光学特性的尺寸效应是十分必需的。
本论文通过采用(zz-500A)型真空蒸发镀膜机制备不同厚度的 Al 膜和采用离子束溅
射法制备不同厚度的 Mo、Cu、Co、Ta 等金属薄膜,利用 UV-1100 型紫外-可见分光光
度计测量了可见光波段不同波长的超薄 Al 膜、Co 膜、Cu 膜、Ta 膜和 Mo 膜的反射率和透
射率随薄膜厚度变化的关系。从而深入了解较薄厚度时金属薄膜的光学特性,为研究以金属
为材料的单层膜或纳米多层膜提供依据。
第一章理论与方法
金属薄膜的制备方法
制备薄膜的方法基本上可以分为两大类,即化学法(包括电化学方法)和物理方法。下
面介绍几种。
真空蒸发镀膜法
一般来说,真空蒸发(除电子束蒸发外)与化学气相沉积、溅射镀膜等成膜方法相比较,
有如下特点:设备比较简单、操作容易;制成的薄膜纯度高、质量好,厚度可较准确控制;
成膜速率快、效率高,用掩模可以获得清晰图形;薄膜的生长机理比较单纯。这种方法的主
要缺点是,不容易获得结晶结构的薄膜,所形成薄膜在基板上的附着力较小,工艺