ИНФРАКРАСНЫЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, а именно - к определению амплитудно-фазовых спектров как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения характеристик (показателей преломления и поглощения) поверхностных плазмонов (ПП), разновидности поверхностных электромагнитных волн, и может найти применение в физико-химических исследованиях процессов на поверхности твердого тела, в ИК спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в оптических контрольно-измерительных и сенсорных устройствах.

Оптическая спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПП [1, 2]. В первых ПП спектрометрах ИК-диапазона использовали разнесенные вдоль трека ПП элементы прямого и обратного преобразования объемной волны в поверхностную. С помощью таких устройств непосредственно измеряли длину распространения ПП в определенном диапазоне длин волн λ дискретно перестраиваемого лазерного источника излучения [2]. Основной недостаток таких ПП-спектрометров - дискретность рабочих частот и недостаточность объема информации, получаемого в результате измерений только длины распространения ПП L.

Использование в ПП-спектроскопии плавно перестраиваемых по частоте лазеров на свободных электронах позволило преодолеть первый из перечисленных выше недостатков [3-5]. А применение интерференционной методики определения фазовой скорости ПП (точнее, действительной части κ' эффективного показателя преломления ПП κ=κ'+i·κ'', где i - мнимая единица) повысило информативность метода ПП-спектроскопии, поскольку появилась возможность по значениям L и κ' рассчитать путем решения дисперсионного уравнения ПП для трехслойной структуры два параметра переходного слоя, например его толщину и показатель преломления или комплексную диэлектрическую проницаемость материала образца ε=ε'+j·ε''.

ПП-спектрометр, описанный в [3], содержит перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, фокусирующий объектив, дифракционный элемент (край экрана) для преобразования объемного излучения в ПП, твердотельный образец, имеющий плоскую поверхность, на краю которой ПП преобразуются в объемное излучение, и фотоприемник, перемещаемый перпендикулярно поверхности образца в плоскости, содержащей трек ПП. Основным недостатком такого спектрометра является низкая точность определения κ' по координатам экстремумов интерферограммы, регистрируемой фотоприемником при фиксированном положении экрана относительно образца. Этот недостаток объясняется тем, что: 1) в результате дифракции падающего излучения на крае экрана кроме ПП порождается набор объемных волн, диаграмма направленности которого носит в значительной степени случайный характер. Это приводит к непредсказуемому искажению интерферограммы и не позволяет определять координаты экстремумов с достаточной точностью; 2) скачок фазы, возникающий при срыве ПП с края образца, зависит от расстояния a, пройденного ПП. Поэтому для определения κ', необходимо зарегистрировать не менее двух интерферограмм при различных а, что приводит к накоплению погрешности измерений. Таким образом, точность определения κ' не превышает 10^-3, что сравнимо с изменением κ', обусловленным формированием переходного слоя.

Известен плазменный спектрометр ИК-диапазона для определения диэлектрической проницаемости проводящих материалов, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, лучеразделитель, расщепляющий падающее излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ПП, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ПП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, перекрывающую реперный пучок при регистрации интенсивности измерительного пучка, лучеразделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, регулируемый компенсатор, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство [6]. Основными недостатками известного устройства является большая продолжительность измерений, обусловленная раздельностью процедур амплитудных и фазовых измерений, и низкая точность определения комплексного показателя преломления ПП в связи с неоднозначностью фазы волны, излучаемой с различных участков элемента преобразования ПП в объемное излучение.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является плазмонный спектрометр терагерцевого диапазона для исследования проводящей поверхности, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, лучеразделитель, расщепляющий падающее излучение на измерительный и реперный пучки, второй лучеразделитель, совмещающий пучки, непрозрачную заслонку, способную поочередно перекрывать оба пучка, регулируемый поглотитель излучения реперного пучка, элемент преобразования излучения измерительного пучка в ПП, твердотельный проводящий образец, имеющий две плоские грани, сопряженные скругленным ребром, элемент преобразования ПП в объемное излучение, размещенный на одной из граней, элемент преобразования объемного излучения в ПП, размещенный на другой грани и выполненный в виде плоского зеркала, примыкающего к этой грани, ориентированного наклонно к ней, сопряженного со вторым лучеразделителем и перемещаемого вместе с ним вдоль второй грани, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство [7]. Основными недостатками известного устройства являются большая продолжительность измерений, обусловленная раздельностью процедур амплитудных и фазовых измерений, а также сложность конструкции.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является упрощение конструкции и сокращение времени измерений.

Технический результат достигается тем, что инфракрасный амплитудно-фазовый плазменный спектрометр, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в ПП, твердотельный проводящий образец с плоскогранной поверхностью и фотодетектор, дополнительно содержит устройство обработки информации и непрозрачный экран, установленный перпендикулярно треку ПП, причем край экрана, обращенный к плоской поверхности образца, размещен на расстоянии от 5λ, до 20λ (где λ - длина волны излучения в окружающей образец среде) от этой поверхности, а фотодетектор размещен в поле ПП на подвижной платформе, перемещаемой параллельно поверхности вдоль трека ПП, и подключен к устройству обработки информации.

Упрощение конструкции спектрометра достигается в результате исключения из нее двух лучеразделителей, заслонки, регулируемого поглотителя и выбора в качестве элемента преобразования края экрана, дополнительно выполняющего функции лучеразделителя и поглотителя, что позволяет использовать дифрагировавшую приповерхностную объемную волну (ОВ) в качестве реперного пучка при формировании интерферограммы, содержащей информацию как о показателе преломления κ', так и о показателе поглощения κ'' ПП.

Сокращение времени измерений достигается в результате объединения процедур определения изменений интенсивности и фазы зондирующего излучения при его взаимодействии с образцом путем анализа интерферограммы, регистрируемой единичным фотодетектором при изменении расстояния, пробегаемого ПП, и образованной при сложении полей ПП и приповерхностной OB, порожденной излучением источника при дифракции на крае экрана.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, где: 1 - перестраиваемый источник p-поляризованного монохроматического излучения; 2 - поворотное зеркало; 3 - фокусирующее зеркало; 4 - экран, на крае которого излучение источника частично преобразуется в ПП и частично - в ОВ; 5 - твердотельный проводящий образец с плоской поверхностью, размещенный в непоглощающей окружающей среде 6; 7 - подвижная платформа, содержащая фотодетектор 8 и перемещаемая вдоль трека ПП; 9 - устройство обработки информации.

На фиг.2 приведена расчетная интерферограмма, иллюстрирующая работу устройства при генерации ПП излучением с λ=100 мкм на поверхности золота, содержащей однородный слой германия толщиной 0,7 мкм.

Спектрометр работает следующим образом. Излучение источника 1 зеркалами 2 и 3 направляется на край экрана 4, удаленный от поверхности образца 5 на расстояние h, регулируемое в пределах от 5λ до 20λ. Вследствие дифракции излучение частично преобразуется в ПП и набор ОВ, распространяющихся под различными углами к поверхности образца 5 [3-5]. Среди этого набора имеется ОВ с волновым вектором, направленным вдоль поверхности образца 5, поле которой перекрывается с полем ПП. Данная ОВ и ПП распространяются вдоль поверхности с различными фазовыми скоростями, так как показатель преломления ПП κ' превышает показатель преломления ОВ n в среде 6. Причем по мере распространения интенсивность поля ПП уменьшается по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания α=k_o·κ'', где k_o=2π/λ. Преодолев до фотодетектора 8 одинаковый путь x, ОВ и ПП приобретают различные фазовые набеги, разность между которыми составляет величину Δφ=k_ox·(κ'-n). Будучи когерентными, ОВ и ПП интерферируют, и их результирующая интенсивность I на чувствительном элементе детектора 8 описывается выражением:

где I₁ - интенсивность ОВ, не зависящая от x, I_o - интенсивность поля ПП под экраном 4.

Период Λ регистрируемой при перемещении детектора 8 интерферограммы неизменен и его промер позволяет устройству 9 рассчитать значение показателя преломления ПП по формуле:

Показатель же поглощения ПП κ'' устройство 9 рассчитывает по значениям интенсивности I_m1 и I_m2 в двух различных максимумах интерферограммы по следующей формуле:

где x₁ и x₂ - координаты соответствующих максимумов, причем x₂>x₁.

Подставляя найденные значения κ' и κ'' в дисперсионное уравнение ПП для трехслойной структуры [1, 2], устройство 9 рассчитывает два ее параметра, например толщину и показатель преломления переходного слоя, или комплексную диэлектрическую проницаемость материала образца 5.

Отметим, что контраст интерферограммы регулируется путем перемещения экрана 4 в плоскости, перпендикулярной поверхности образца 5, т.е. изменением расстояния h в пределах от 5λ, до 20λ.

В качестве примера применения заявляемого устройства, как и в прототипе, рассмотрим возможность определения с его помощью диэлектрической проницаемости алюминия (Al) в диапазоне длин волн от 30 до 100 мкм. Для этого, как и в прототипе, воспользуемся известной методикой определения оптических постоянных металлов в ИК-области спектра [8]. Основная идея этой методики состоит в нанесении на поверхность образца тонкого диэлектрического покрытия, что обуславливает увеличение обеих частей (κ' и κ'') комплексного показателя преломления ПП и позволяет измерить их значения на образцах приемлемых (для лабораторных условий) размеров.

Пусть мы располагаем Al образцом с плоской поверхностью длиной 30 см. В качестве диэлектрического покрытия выберем слой германия (Ge) толщиной 0,7 мкм, поскольку в ТГц диапазоне этот материал обладает малой дисперсией и пренебрежимо малыми потерями: при изменении λ от 100 мкм до 30 мкм показатель преломления Ge варьируется лишь в третьем знаке после запятой: от 4,004 до 4,005; а его показатель поглощения равен 1·10^-4 при λ=30 мкм и 1·10^-3 при λ=100 мкм [9]. Элементом преобразования излучения источника в ПП выберем непрозрачный экран, край которого удален от поверхности образца на расстояние h, обеспечивающее равенство интенсивности поля ПП I_o под экраном интенсивности поля ОВ I₁ на данной λ; окружающая среда - воздух (n_ср=1,0002726) [10]. Диэлектрическую проницаемость Al будем рассчитывать по модели Друде, хорошо «работающей» в ИК-диапазоне, полагая плазменную частоту Al ν_p=660 см^-1 и столкновительную частоту свободных электронов ν_τ=119000 см^-1 [11].

Используя дисперсионное уравнение ПП для трехслойной структуры по ее выше указанным параметрам, рассчитаем зависимости κ'(λ) и κ''(λ) в выбранном диапазоне λ.

На фиг.2 приведена зависимость I(x), рассчитанная по формуле (1) для структуры «Al-слой Ge толщиной 0,7 мкм-воздух» при λ=100 мкм. Располагая таким графиком, представляющим собой интерферограмму, полученную при перемещении фотодетектора 8 вдоль поверхности образца 5, можно определить как κ', так и κ''. Так, например, из графика на фиг.2 следует, что период интерферограммы ∧=10,675 см, что соответствует, согласно (2), κ'=1,00121. Интенсивности же в первом Im₁ и, например, в пятом I_m5 максимумах равны 3,275 при x₁=10,565 см и 2,739 при x₂=21,240 см соответственно. Подставив значения I_m1, I_m5, x₁ и x₂ в формулу (3), получим, что κ''=6,3·10^-5. Располагая найденными путем анализа интерферограммы и применения формул (2) и (3) значениями κ' и κ'', решают дисперсионное уравнение ПП относительно диэлектрической проницаемости материала образца. Так, в рассматриваемом примере получим значение диэлектрической проницаемости алюминия при λ=100 мкм, равное: ε_Al=ε'+j·ε''=-31780+i·209745.

С уменьшением λ излучения источника, в качестве которого может быть использован лазер на свободных электронах [12], период интерферограммы уменьшается до 0,238 см (что соответствует κ'=1,01286), а затухание ПП - увеличивается до α=0,96 см^-1 (что соответствует κ''=4,6·10^-4) при λ=30 мкм. Выполнив для всего рабочего диапазона частот измерения I(x) и расчеты, аналогичные выше описанным, получают искомые спектры ε' и ε'', приведенные на фиг.2 прототипа.

Отметим, что поскольку в заявляемом устройстве измеряемыми величинами, как и в прототипе, являются интенсивность интерферограммы в максимумах и расстояние между ними, то точность определения диэлектрической проницаемости материала образца или оптических постоянных слоя на его поверхности не понижается по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование в заявляемом устройстве в качестве лучеразделителя, поглотителя и элемента преобразования края непрозрачного плоского экрана, размещенного перпендикулярно треку ПП у поверхности образца, позволяет существенно упростить конструкцию плазменного ИК-спектрометра, а объединение процедур определения изменений интенсивности и фазы зондирующего излучения при его взаимодействии с образцом - сократить время измерений.

Источники информации

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

2. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports, 1990, v.194, No.5/6, p.281-289.

3. Zhizhin G.N., Alieva E.V., Kuzik L.A., Yakovlev V.A., Shkrabo D.M., Van der Meer A.F.G., Van der Wiel M.J. Free-electron laser for infrared SEW characterization surfaces of conducting and dielectric solids and nm films on them // Applied Physics (A), 1998, v.67, p.667-673.

4. Bogomolov G.D., Jeong U.Y., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., et al. Generation of surface electromagnetic waves in terahertz spectral range by free-electron laser radiation and their refractive index determination // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2005, v.543, No.1, p.96-101.

5. Bogomolov G.D., Jeong U.Y., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., et al. First experiments on application of free-electron laser terahertz radiation for optical control of metal surfaces // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2005, №5, с.57-63.

6. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №2263923. - Бюл. №31 от 10.11.2005 г.

7. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазмонный спектрометр терагерцевого диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. - Бюл. №6 от 27.02.2008 г. (Прототип)

8. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Оптические постоянные меди, полученные по распространению поверхностных электромагнитных волн // ФТТ, 1979, т.21(9), с.2828-2831.

9. Handbook of optical constants of solids. Ed. by E.D.Palik // Academic Press, San Diego, USA, 1998. - 804 p.

10. Справочник "Физические величины" // M.: Энергоатомиздат, 1991. - 575 с.

11. Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1983, v.22, No.7, p.1099-1119.

12. Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. Technol., 2010, v.21, 054017.