CN110044846A - 一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品及测定方法，通过镀膜方法来制备获得法布里‑珀罗腔(F‑P)的光学微腔结构，只需将二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料嵌埋到光学微腔中，应用显微光谱仪对比测量有、无低维材料区域的透射谱或反射谱，通过腔模峰位的移动获得低维材料对光程差的改变信息，就可以精确计算出低维材料的折射率。本发明解决了微米尺度低维材料折射率的测量难题并实现精确测量，具有很好的普适性，能够应用于各种二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料折射率的精确测定。

Description

一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品及测定方法

技术领域

本发明涉及光学参数测试领域，具体涉及一种基于光学微腔的低维材料折射率的测定结构设计及装置。

背景技术

随着半导体和大规模集成电路工艺的飞速发展，薄膜技术的应用也越来越广泛。折射率是二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料一个重要光学参数,准确的表征它对光学器件的设计和制造具有重大的意义。因此，精确测量二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料折射率等光学参数受到人们的高度重视。目前常用的测试手段主要有，椭圆偏振法、棱镜耦合法和干涉法等方法。

椭偏法测量虽然精度高,对样品无破坏性,适合于较薄膜层光学参数的测量。但该方法仅适合于各向同性介质的测量。另外,利用该法对实验数据进行处理时计算繁琐,对样品的表面平整度也有较高的要求；棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限。测量光需在膜层内形成两个或两个以上波导模，膜厚一般应大于300～480nm(如硅基底和GaAs基底等；无法实现对超薄薄膜折射率的有效提取。干涉法测量薄膜厚度在确定干涉条纹的错位条纹数比较困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，测量微小区域内的干涉条纹时,干涉条纹很密不易看清,会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，对测量带来不便。特别当薄膜厚度极薄、尺寸极小，只能微区测量时将使得折射率的准确提取变的十分苛刻。以上方法或对测量条件要求较为严格，或测量动态范围有限，因此都存在一定局限性。

发明内容

本发明公开了一种新的微米尺寸二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料折射率的精确测量结构设计及装置，只要将二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料置于光学微腔中，通过测试有、无嵌埋低维材料区域的透射或反射光谱，利用其峰位移动获得低维材料对光程差的改变信息，即可准确计算出低维材料的折射率，能够解决二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等微米尺度低维材料折射率难以准确提取、测量误差大的难题。本发明采用的一个技术方案是：利用光学微腔的腔模与谐振腔光程成正比的原理，将单层二维材料嵌入到一个介质腔中，只要测量二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料的物理厚度及峰位移动即可确定其折射率的大小。

其结构如图1所示，在衬底1上依次有下层DBR 5、待测低维材料4、部分光学微腔与上层DBR 6，其中待测低维材料4位于下层DBR 5上，上层DBR 与部分光学微腔6覆盖在下层DBR 5和待测低维材料4上；显微光谱仪分别测试样品中有、无低维材料区域的透射或反射光谱，利用其峰位移动获得低维材料对光程差的改变信息，从而准确计算出低维材料的折射率。

所述的光学微腔膜系结构为(HL)ⁿ，待测样品L(HL)ⁿ；下层DBR(5)膜系为(HL)ⁿ，部分光学微腔和上层DBR(6)膜系为L(HL)ⁿ，其中n为DBR对数，取4-10；

谐振腔波长的选择取决于拟测试折射率所对应的波长，即要想测试哪个波长的折射率，就把谐振腔的波长设计在该波长处。这里衬底主要起支撑作用。其中所述的衬底1为K9、Al₂O₃、SiO₂、Si片、或Ge片。所述的高折射率材料 2选择Ge、TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Ta₂O₅或Si，低折射率材料3选择SiO₂、ZnS、SiO、HfO₂或Al₂O₃。材料的选择按照谐振腔所设计波段来选择该波段透明的材料，如可见波段可选择TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Ta₂O₅、SiO₂、ZnS、SiO或Al₂O₃；红外波段选择Ge、TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Ta₂O₅、Si、SiO₂、ZnS、SiO或Al₂O₃。待测低维材料4可以为二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料。应用磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、电子束蒸发或PECVD薄膜制备手段，来制备出高低折射率交替生长的前半程及腔和后半程。

所述计算低维材料折射率的计算方法可以利用传输矩阵法对测试所得光谱进行拟合。这里前后半程的DBR对数n可以取大于或等于2的任意数字，当DBR对数n越大时干涉峰越明显、带宽越窄，测试结果越准确。但是当n过大时样品透过率将下降，同时为了降低测试复杂度及测试成本，优选的，DBR对数n取4-10。同时由于微腔腔模峰位与腔长成正比，所以可以通过改变腔长或者中心波长大小来得到任意波段下的折射率。

维材料折射率测定方法如下：

将嵌埋后的装置应用显微光谱仪对比测量有、无低维材料区域的透射谱或反射谱，通过腔模峰位的移动获得低维材料对光程差的改变信息，基于传输矩阵法我们知道，法布里—珀珞滤光片的膜系的特征矩阵为

其中j代表第j层薄膜，K代表总膜层数，对p-偏正波和s-偏正波，膜层的位相厚度都是δ_j

折射角θ_j由折射定理所确定，导纳n_j由下式给出

矩阵

称为第j层膜的特征矩阵，无吸收的介质膜的特征矩阵M的一般形式可写成

式中m₁₁和m₂₂为实数，而且m₁₁＝m₂₂,而m₂₁和m₁₂为纯虚数，此外其行列式值等于1。为单位模矩阵即m₁₁m₂₂-m₁₂m₂₁＝1，而且任意多个这样的矩阵乘积的行列式值也等于1；

对于一个四分之一波长层，即有效光学厚度为某一参考波长的四分之一的薄膜，在该参考波长的特征矩阵有

显然，多层膜和基片的组合导纳为Y＝C/B，所以薄膜反射率R可表示为

薄膜透射率T可表示为

基于以上传输矩阵原理我们只需让理论透射谱或理论反射谱与相应的实测透射谱或反射谱峰位得以重合，由此计算出低维材料的折射率。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：微小尺寸低维材料折射率的准确测定。

1、准确性高

由于在光学测试中，光谱的峰位是一个非常准确而且不易受到外界干扰的参数，而此结构设计及装置是通过测量有无低维材料区域透射谱或反射谱的峰位移动来获取折射率参数的，因此准确性高。

2、灵活性强

由于本发明结构设计及装置可以嵌埋各种不同形状和厚度的低维材料，因此灵活性强。

3、适用范围宽

由于本发明结构设计及装置对待测材料没有选择性，可以嵌埋各种低维待测材料，具有很好的扩展性和普适性，适用范围宽。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。其中，

图1是本发明结构设计及装置的光学微腔嵌埋低维材料结构示意图和理论模拟的光学微腔嵌埋低维材料有无样品的透射谱和反射谱；

图2是利用本发明实施例的待测单层WS₂样品光致发光(PL)光谱；

图3是利用本发明实施例的待测单层WS₂样品拉曼光谱；

图4是本发明实施例的方法中n取8时所采集的光学微腔嵌埋单层WS₂样品中实测空腔、实测样品、理论空腔、理论样品透射光谱图；

图5是利用本发明实施例的待测单层MoS₂样品光致发光(PL)光谱；

图6是利用本发明实施例的待测单层MoS₂样品拉曼光谱；

图7是本发明实施例的方法中n取10时所采集的光学微腔嵌埋单层MoS₂样品中实测空腔、实测样品、理论空腔、理论样品透射光谱图；

图8是本发明实施例的方法中n取4时所采集的光学微腔嵌埋厚层WS₂样品中实测空腔、实测样品、理论空腔、理论样品透射光谱图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施结构设计及装置作进一步详细说明。通过镀膜方法来制备获得如图1所示的法布里-珀罗腔(F-P)的结构，自下而上分别为衬底、高低折射率材料构成的DBR及部分微腔、低维材料、上半部分微腔及上半部分DBR。所述的衬底可以是K9、Al₂O₃、SiO₂、Si片、Ge 片等,所述的高折射率材料可以是TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Ta₂O₅、Si等，低折射率材料可以是SiO₂、ZnS、SiO、HfO₂、Al₂O₃等。只需将二维材料、纳米片、纳米带、薄膜等低维材料嵌埋到光学微腔中，这里n可以取大于或等于2的任意数字，当DBR对数n越大时干涉峰越明显，但是当n过大时样品透过率将下降，同时为了降低测试复杂度及测试成本，优选的，DBR对数n取4-10。所述的DBR及微腔采用磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、电子束蒸发、PECVD等薄膜制备手段来制备。

按如图1所示的对比测量有低维材料区域和无低维材料区域的透射谱或反射谱，通过腔模峰位的移动获得低维材料对光程差的改变信息，应用传输矩阵法进行拟合就可以精确推算出低维材料的折射率。

实施例1：单层WS₂折射率的测定

以基于光学微腔的WS₂折射率的测定结构设计为具体实施例，进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，依据本发明实施例的基于光学微腔的WS₂折射率的测定结构设计及装置包括以下步骤：

光学微腔的的制备：

第一步：光学微腔是通过莱宝可见光学镀膜机(P6649)，以K9玻璃作为衬底，Ta₂O₅、SiO₂作为高低折射率材料通过电子束蒸发的形式先制备8对DBR 及部分微腔，

第二步：将确认是单层的WS₂单层用PDMS转移到DBR上，

第三步：用同样手段按如图1蒸镀8.5对后半程DBR，由单层WS₂样品和最中间两层低折射率材料SiO₂共同构成微腔。共33层一维光子晶体薄膜。

如图2所示，单层WS₂样品的表征通过光致发光(PL)光谱得到的。当WS₂为单层时由间接带隙转为直接带隙，在616nm(2.013ev)处观察到强的A激子信号。实验使用的为532nm激发的连续激光，在室温下用显微光谱仪记录PL 谱。

如图3所示，单层WS₂样品的表征通过拉曼光谱得到的。我们得到了各个拉曼位移峰位的布向，其布里渊区中心的第一阶模式和A_1g(Γ)分别位于 354.73cm^-1和416.28m^-1。与文献报道十分吻合。实验使用的为532激发的连续激光，单层WS₂样品通过PDMS转移至器件前半程的上表面。

如图4所示为器件上有单层WS₂样品和没样品实测微区透射谱和理论透射谱。待器件制备完毕后，可以进行光谱数据的采集，使用Lab RAM HR Evolution 光谱仪等显微光谱仪器，获取有WS₂和无WS₂区域的透射光谱曲线。在本案例中用由法国HORIBA Scientific公司生产的Lab RAM HR Evolution光谱仪(其使用的Si探测器，光谱范围为550-900nm，采集软件为LabSpec6软件)采集光谱曲线。对每个样本进行采集多次，本实施例中所使用的该光谱仪采用2cm^-1的分辨率。从图2WS₂荧光光谱和图3WS₂拉曼光谱和可以判断出本实施例样品为单层WS₂，根据文献(1:Peimyoo N,ShangJ,CongC,et al. Nonblinking,intense two-dimensional light emitter:monolayer WS₂ triangles[J].ACS nano,2013,7(12):10985-10994.报导的单层WS₂的厚度为0.7nm。这里我们取d＝0.7nm,应用以上传输矩阵原理拟合可以得到 n_WS2＝4.265,与文献吻合的较好。因此本发明非常适用低维材料折射率的准确测量。

实施例2：单层MoS₂折射率的测定

以基于光学微腔的MoS₂折射率的测定结构设计及装置为具体实施例，进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，依据本发明实施例的基于光学微腔的MoS₂折射率的测定方法包括以下步骤：

光学微腔的的制备：

第一步：光学微腔是通过莱宝可见光学镀膜机(P6649)，以K9玻璃作为衬底，Ta₂O₅、SiO₂作为高低折射率材料通过电子束蒸发的形式先制备10对DBR 及部分微腔，

第二步：将表征好确认是单层的MoS₂单层用PDMS转移到DBR上，

第三步：用同样手段按如图1蒸镀10.5对后半程DBR，由单层MoS₂样品和最中间两层低折射率材料SiO₂共同构成微腔。共41层一维光子晶体薄膜。

如图5所示，单层MoS₂样品的表征通过PL光谱得到的。实验使用的为532nm 激发的连续激光，在室温下用显微光谱仪记录PL谱。

如图6所示，单层MoS₂样品的表征通过拉曼光谱得到的。从拉曼光谱上我们得到其布里渊区中心的第一阶模式和A_1g(Γ)分别位于403.9cm^-1和 384.4cm^-1,拉曼位移为19.5cm^-1与文献报道十分吻合。实验使用的为532激发的连续激光。单层MoS₂样品通过PDMS转移至器件前半程的上表面。

如图7所示为器件上有单层MoS₂样品和没样品实测微区透射谱和理论透射谱。待器件制备完毕后，可以进行光谱数据的采集，使用Lab RAM HR Evolution 光谱仪等显微光谱仪器，获取有MoS₂和无MoS₂区域的透射光谱曲线。在本案例中用由法国HORIBAScientific公司生产的Lab RAM HR Evolution光谱仪(其使用的Si探测器，光谱范围为550-900nm，采集软件为LabSpec6软件)采集光谱曲线。对每个样本进行采集多次，本实施例中所使用的该光谱仪采用2cm^-1的分辨率。从图5MoS₂荧光光谱和图6MoS₂拉曼光谱和可以判断出本实施例样品为单层MoS₂，由Radisavljevic,Branimir,et al."Single-layerMoS₂transistors."Nature nanotechnology 6.3(2011):147.报导的单层MoS₂的厚度为0.65nm。这里我们取d＝0.65nm,应用传输矩阵原理拟合可以得到 n_MoS2＝4.025,与文献吻合的较好。因此本发明非常适用低维材料折射率的准确测量。

实施例3：厚层WS₂折射率的测定

以基于光学微腔的WS₂折射率的测定结构设计为具体实施例，进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，依据本发明实施例的基于光学微腔的WS₂折射率的测定结构设计及装置包括以下步骤：

光学微腔的的制备：

第一步：光学微腔是通过莱宝可见光学镀膜机(P6649)，以K9玻璃作为衬底，Ta₂O₅、SiO₂作为高低折射率材料通过电子束蒸发的形式先制备4对DBR 及部分微腔，

第二步：将确定好厚度的WS₂转移到DBR上，

第三步：用同样手段按如图1蒸镀4对后半程DBR，由厚层WS₂样品和最中间两层低折射率材料SiO₂共同构成微腔。共17层一维光子晶体薄膜。

如图8所示为器件上有厚层WS₂样品和没样品实测微区透射谱和理论透射谱。待器件制备完毕后，可以进行光谱数据的采集，使用Lab RAM HR Evolution 光谱仪等显微光谱仪器，获取有WS₂和无WS₂区域的透射光谱曲线。在本案例中用由法国HORIBA Scientific公司生产的Lab RAM HR Evolution光谱仪(其使用的Si探测器，光谱范围为550-900nm，采集软件为LabSpec6软件)采集光谱曲线。对每个样本进行采集多次，本实施例中所使用的该光谱仪采用2cm^-1的分辨率。应用传输矩阵原理拟合可以得到厚层WS₂n_WS2＝4.88。因此本发明非常适用低维材料折射率的准确测量。

由以上实施例可以看出，本发明通过光谱技术和光学微腔的手段可以实现对低维材料折射率的准确测量，该方法准确性高、灵活性强、适用范围宽、对待测材料没有选择性，可以嵌埋各种待测低维材料，具有很好的扩展性和普适性，将前半腔产品化可以应用到各种低维材料的快速定量检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品，包括：衬底(1)、下层DBR(5)、待测低维材料(4)、部分光学微腔和上层DBR(6)，其特征在于：

所述的测定样品结构为：在衬底(1)上依次有下层DBR(5)、待测低维材料(4)、部分光学微腔与上层DBR(6)，其中待测低维材料(4)位于下层DBR(5)上，上层DBR与部分光学微腔(6)覆盖在下层DBR(5)和待测低维材料(4)上；显微光谱仪分别测试样品中有、无低维材料区域的透射或反射光谱，利用其峰位移动获得低维材料对光程差的改变信息，从而准确计算出低维材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品，其特征在于：所述的衬底(1)的材料为K9、Al₂O₃、SiO₂、Si片或Ge片。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔的低维材料折射率测定样品，其特征在于：所述的光学微腔膜系结构为(HL)ⁿ，待测样品L(HL)ⁿ；下层DBR(5)膜系为(HL)ⁿ，部分光学微腔和上层DBR(6)膜系为L(HL)ⁿ，其中n为DBR对数，取4-10；H：为高折射率材料(2)，材料为Ge、TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Ta₂O₅或Si；L：为低折射率材料(3)，材料为SiO₂、ZnS、SiO、HfO₂或Al₂O₃。

4.一种基于权利要求1所述的基于光学微腔的低维材料折射率测定样品的低维材料折射率测定方法，其特征在于方法如下：

将嵌埋后的装置应用显微光谱仪对比测量有、无低维材料区域的透射谱或反射谱，通过腔模峰位的移动获得低维材料对光程差的改变信息，基于传输矩阵法我们知道，法布里—珀珞滤光片的膜系的特征矩阵为

其中j代表第j层薄膜，K代表总膜层数，对p-偏正波和s-偏正波，膜层的位相厚度都是δ_j

折射角θ_j由折射定理所确定，导纳n_j由下式给出

矩阵

称为第j层膜的特征矩阵，无吸收的介质膜的特征矩阵M的一般形式可写成

式中m₁₁和m₂₂为实数，而且m₁₁＝m₂₂,而m₂₁和m₁₂为纯虚数，此外其行列式值等于1。为单位模矩阵即m₁₁m₂₂-m₁₂m₂₁＝1，而且任意多个这样的矩阵乘积的行列式值也等于1；

对于一个四分之一波长层，即有效光学厚度为某一参考波长的四分之一的薄膜，在该参考波长的特征矩阵有

显然，多层膜和基片的组合导纳为Y＝C/B，所以薄膜反射率R可表示为

薄膜透射率T可表示为

基于以上传输矩阵原理我们只需让理论透射谱或理论反射谱与相应的实测透射谱或反射谱峰位得以重合，由此计算出低维材料的折射率。