CN112557304B - 基于椭偏参数轨迹拓扑特征识别薄膜材料纳米结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料和光学技术领域，具体为一种基于椭偏参数轨迹拓扑特征识别薄膜材料纳米结构的方法。本发明方法包括以下步骤：利用椭圆偏振光谱仪测量薄膜材料的P光、S光的复反射率比值ρ，进而获得两个椭偏参数ψ与Δ；获得椭偏参数(ψ、Δ)的轨迹曲线；根据所述轨迹曲线的拓扑特征判定薄膜材料纳米结构由颗粒到网状的转变；求得(ψ、Δ)轨迹的切线方位角曲线；根据所述切线方位角曲线的拓扑特征判定薄膜材料纳米结构连续性的转变，从而实现对薄膜材料纳米结构的识别。本发明可用于薄膜材料生长过程中纳米结构的原位监测，对利用人工智能识别纳米结构有着重要的参考价值，具有非接触、非破坏、对环境要求不苛刻等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料和光学技术领域，具体涉及薄膜材料纳米结构的识别方法。
背景技术
薄膜材料具有传统块体材料所不具备的特殊性能，因而在微电子、光电子等领域有广泛应用。薄膜材料在不同领域的应用与其纳米结构息息相关。因此，研究薄膜材料的纳米结构可开发其更多的潜在应用价值。
目前表征薄膜材料纳米结构的技术方法主要有场发射扫描电镜、透射电子显微镜和原子力显微镜。场发射扫描电镜和透射电子显微镜测试对环境要求苛刻，都需要真空环境，对样品尺寸有要求，并且测试时损坏样品。此外，透射电子显微镜测试制样复杂且费用昂贵。而原子力显微镜存在着固有的缺点，在操作不当或者样品表面有污染物的情况下，极易发生撞针使探针损坏或者污染，而探针损坏或者污染很大程度的影响了图像的质量。在测量过程中，探针扫描的速度非常慢，大大降低了工作效率。
发明内容
为了克服上述现有技术方法在薄膜材料纳米结构表征上的不足，本发明从薄膜材料光谱角度出发，基于对椭偏参数轨迹曲线及其切线方位角曲线拓扑特征的分析，提出一种非接触、非破坏、可在空气环境中实现快速测量的薄膜材料纳米结构的识别方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于椭偏参数轨迹拓扑特征识别薄膜材料纳米结构的方法，包括以下步骤：
(1)利用椭圆偏振光谱仪测量薄膜材料的P光、S光的复反射率比值ρ：
ρ＝rp/rs＝tanψeiΔ
其中，rp为P光复反射率，rs为S光复反射率，进而获得两个椭偏参数ψ与Δ；
(2)基于步骤(1)获得椭偏参数(ψ、Δ)的轨迹曲线；
(3)根据步骤(2)所述轨迹曲线的拓扑特征，判定薄膜材料纳米结构由颗粒到网状的转变；
(4)基于步骤(2)求得(ψ、Δ)轨迹的切线方位角曲线；
(5)根据步骤(4)所述切线方位角曲线的拓扑特征，判定薄膜材料纳米结构连续性的转变，从而实现对薄膜材料纳米结构的识别。
进一步地，所述步骤(1)中，选取的探测波长范围为：1～6eV。
进一步地，所述步骤(1)中，椭偏参数范围为：0°<ψ<90°，0°<Δ<180°。
进一步地，所述步骤(4)中，(ψ、Δ)轨迹的切线方位角θ曲线由下式获得：
与现有方法相比，本发明具有如下有益效果：
1、椭圆偏振光谱测量是一种非接触、非破坏、具有高精度和高灵敏性的光学检测方法，不需要苛刻的真空环境，在空气环境中就可实现快速测量。在测量过程中通过光与物质相互作用将材料的微观结构信息反映在相位空间中，因此通过分析椭偏参数光谱曲线可获得材料相应的微观结构信息。本发明基于对椭偏参数轨迹曲线及其切线方位角曲线拓扑特征的分析，可快速、准确、无损地对薄膜材料纳米结构进行识别；
2、本发明可用于薄膜材料生长过程中纳米结构的原位监测，对利用人工智能识别纳米结构有着重要的参考价值，在材料科学、表面科学、人工智能以及工业和科研等众多领域有着潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明薄膜材料纳米结构识别方法的流程示意图。
图2为实施例中银纳米薄膜S1～S6椭偏参数(ψ、Δ)的轨迹曲线。
图3为实施例中银纳米薄膜S5(ψ、Δ)轨迹切线方位角的举例说明。
图4为实施例中银纳米薄膜S1～S6(ψ、Δ)轨迹切线方位角曲线。
图5为实施例中银纳米薄膜的场发射扫描电子显微镜测量结果，其中，(a)～(f)分别对应银薄膜S1～S6的纳米结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种基于椭偏参数轨迹拓扑特征识别薄膜材料纳米结构的方法，包括以下步骤：
步骤S01、利用椭圆偏振光谱仪测量薄膜材料的P光、S光的复反射率比值ρ：
ρ＝rp/rs＝tanψeiΔ
其中，rp为P光复反射率，rs为S光复反射率，进而获得两个椭偏参数ψ与Δ。
椭圆偏振光谱测量过程中，探测波长应在1～6eV范围内选择，这个波段对探测环境的要求不苛刻，既可以避免紫外波段对真空测量环境的要求，也避免了红外波段湿度对探测的影响。所述椭偏参数范围为：0°<ψ<90°，0°<Δ<180°。
步骤S02、基于步骤S01获得椭偏参数(ψ、Δ)的轨迹曲线。
步骤S03、根据步骤S02所述轨迹曲线的拓扑特征判定薄膜材料纳米结构由颗粒到网状的转变。
步骤S04、基于步骤S02求得(ψ、Δ)轨迹的切线方位角曲线。
(ψ、Δ)轨迹的切线方位角θ曲线由下式获得：
步骤S05、根据步骤S04所述切线方位角曲线的拓扑特征判定薄膜材料纳米结构连续性的转变，从而实现对薄膜材料纳米结构的识别。
椭圆偏振光谱测量得到的是偏振光经过样品表面前后偏振态的改变，能通过光与物质相互作用将材料的微观结构信息反映在相位空间中。而偏振态的改变和样品的微观结构信息有着密切的关系，薄膜材料的不同纳米结构对应着不同偏振态的改变，反应到相位空间中对应着不同的椭偏参数，利用这个原理，通过分析椭偏参数光谱曲线即可获得薄膜材料相应的微观结构信息。
实施例
本实施例通过识别银薄膜纳米结构来描述本发明的具体实施方式。
采用电子束蒸发的方法在硅衬底上制备具有不同纳米结构的银薄膜。
利用椭圆偏振光谱仪对上述银纳米薄膜进行测量，所选用的探测波长范围为2.6～5eV，探测角度为65°，得到样品S1～S6椭偏参数(ψ、Δ)的轨迹曲线，如图2所示。
从图2中可以看出，样品S1～S3和样品S4～S6(ψ、Δ)轨迹曲线具有不同的拓扑特征，体现在所述轨迹曲线是否有交点。根据所述轨迹曲线的拓扑特征可将银薄膜纳米结构分为两类，可判定从S3到S4为银薄膜纳米结构由颗粒到网状的转变。
从图4中可以看出，(ψ、Δ)轨迹的切线方位角曲线从样品S1～S6显示出一个动态的变化，样品S1～S5和样品S6的(ψ、Δ)轨迹切线方位角曲线的拓扑特征存在明显的差异，体现在所述曲线是否有封闭蝴蝶结图案。根据所述曲线的拓扑特征可将银薄膜纳米结构分为两类，可判定从S5到S6为银薄膜纳米结构由半连续到连续的转变，从而最终实现对银薄膜颗粒、网状和连续纳米结构的识别。
从图5中样品S1～S6的表面扫描电子显微镜图片中可以看出，样品S1～S3为颗粒膜，S4～S5为网状膜，S6为连续膜，进一步验证了本发明薄膜材料纳米结构识别方法的可靠性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于椭偏参数轨迹拓扑特征识别薄膜材料纳米结构的方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）利用椭圆偏振光谱仪测量薄膜材料的P光、S光的复反射率比值ρ：
其中，r p为P光复反射率，r s为S光复反射率，进而获得两个椭偏参数ψ与Δ；
（2）基于步骤（1）获得椭偏参数（ψ、Δ）的轨迹曲线；
（3）根据步骤（2）所述轨迹曲线的拓扑特征，即所述轨迹曲线是否有交点，判定薄膜材料纳米结构由颗粒到网状的转变；
（4）基于步骤（2）求得（ψ、Δ）轨迹的切线方位角曲线，切线方位角θ曲线由下式获得：
（5）根据步骤（4）所述切线方位角曲线的拓扑特征，即所述曲线是否有封闭蝴蝶结图案，判定薄膜材料纳米结构连续性的转变，从而实现对薄膜材料纳米结构的识别。
2.根据权利要求1所述的识别薄膜材料纳米结构的方法，其特征在于，步骤（1）中选取的探测波长范围为：1~6 eV。
3.根据权利要求1所述的识别薄膜材料纳米结构的方法，其特征在于，步骤（1）中所述椭偏参数范围为：0°<ψ< 90°，0°<Δ<180°。
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