CN114324249A - 一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法。通过构建多振子模型构建导电膜的色散模型，利用薄膜光学常数反演计算的方法分析导电膜的电学特征和宽谱段的精确光学常数表征，该方法适应于ITO、AZO、红外透明导电膜、超薄金属膜(膜层厚度小于100nm)等透明导电膜的电学特征和宽谱段精确光学常数的表征，精简透明导电膜光电特性的测试步骤，提高工作效率，为电磁屏蔽，智能光窗薄膜的设计提供保障。

Description

一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法

技术领域

本公开一般涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于全光谱法表征透明导电膜电学特征的方法。

背景技术

透明导电膜在可见光波段有较高的透过率，在红外波段呈现金属特性，同时具有发射率低的特点，在军事应用中，透明导电膜涂覆隐身目标的光学窗口表面用于窗口加热和降低光窗的雷达散射面积的功能，可实现消霜除雾和隐身的目的，其光学常数和电阻率的准确表征对隐身战机和导弹等隐身目标的光学窗口制备有重要意义。

现阶段，采用光谱法间接表征均采用单一的短波，中波光谱表征，并没有对导电膜薄膜进行紫外-可见-红外宽波段光学常数的表征，单一波段光谱表征薄膜电阻率不仅受薄层厚度的影响大，并且存在较大的误差，因此经常采用霍尔效应测试仪和四探针测试仪测试薄膜的电学特性，然而霍尔效应测试仪对样品有特殊的要求，测试繁琐，四探针法测试薄膜方块电阻需要将针放在薄膜表面，样品存在损坏的风险。因此，提出一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，用以解决上述的薄膜测试样品的要求高、损坏风险高的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种有效降低样品损坏风险，低样品要求，同时获得透明导电膜宽波段准确的光学常数的光电特征表征方法，此方法可以精简测试步骤，提高工作效率，更适合规模化生产工序。

本申请提供一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，包括以下步骤：

制备透明导电膜样品；

测量透明导电膜样品的透射光谱和反射光谱；

建立Cody-Lorentz和Gaussian短波色散模型；

建立Drude色散模型；

使用非线性约束优化算法，结合评价反演计算效果的目标优化函数，获得透明导电膜表征样品的膜层厚度和电阻率；

采用Lorentz振子模型优化Cody-Lorentz和Gaussian色散模型叠加Drude色散模型构建的光学色散模型，获得等离子体共振波长和宽波段光学常数；

利用膜层厚度和电阻率计算透明导电膜的方块电阻，得到方块电阻计算值。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述透射光谱和所述反射光谱的表征波段包括：紫外-可见光-红外波段。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述Cody-Lorentz和Gaussian短波色散模型表征短波方向的电子跃迁和点缺陷。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述的Drude色散模型表征长波方向自由电子共振带来的吸收。

根据本申请实施例提供的技术方案，根据以下公式计算透明导电膜的方块电阻：

R_□＝ρ_n/d；

其中，d为样品的膜层厚度；ρ_n为电阻率。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述Lorentz振子模型表征等离子共振吸收和透明导电膜内自由电子局域状态。

根据本申请实施例提供的技术方案，根据以下公式表示目标优化函数：

其中，MSE为测量值与理论模型计算值的均方差；N为测量波长的数目；M为变量个数；T_i ^exp、

分别为第i个波长的测量值；T_i ^mod、

分别为第i个波长的计算值；

分别为第i个波长的测量误差。

综上所述，本技术方案具体地公开了一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法的具体流程。本申请测量透明导电膜表征样品透射光谱和反射光谱；通过Cody-Lorentz、Gaussian、Drude振子模型构建色散模型；使用非线性约束优化算法，结合评价反演计算效果的目标优化函数，获得透明导电膜表征样品的膜层厚度和电阻率；采用Lorentz振子模型优化Cody-Lorentz和Gaussian色散模型叠加Drude色散模型构建光学色散模型，获得等离子体共振波长和宽波段光学常数；利用膜层厚度和电阻率计算透明导电膜的方块电阻，得到方块电阻计算值。利用上述方法替代对样品有特殊要求的霍尔效应测试仪测试方法和对样品有损伤的四探针法，有效降低样品损坏风险，同时准确获得透明导电膜的宽波段光学常数，为电磁屏蔽，智能光窗薄膜的设计提供保障。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法的流程示意图。

图2为基板ZS1的光学常数曲线的示意图。

图3为ITO-ZS1薄膜紫外-可见光-近红外透过率测试与拟合曲线的示意图。

图4为ITO-ZS1薄膜紫外-可见光-近红外反射率测试与拟合曲线的示意图。

图5为ITO-ZS1薄膜红外透过率测试与拟合曲线的示意图。

图6为ITO-ZS1薄膜红外反射率测试与拟合曲线的示意图。

图7为ITO薄膜紫外-可见光-红外光学常数曲线的示意图。

图8为不同工艺参数制备ITO薄膜方块电阻对比的示意图。

图9为TiO2薄膜的光学常数曲线的示意图。

图10为TiO2/Ag/TiO2-ZS1薄膜紫外-可见光-近红外透过率测试与拟合曲线的示意图。

图11为TiO2/Ag/TiO2-ZS1薄膜紫外-可见光-近红外反射率测试与拟合曲线的示意图。

图12为TiO2/Ag/TiO2-ZS1薄膜红外透过率测试与拟合曲线的示意图。

图13为TiO2/Ag/TiO2-ZS1薄膜红外反射率测试与拟合曲线的示意图。

图14为超薄Ag膜的紫外-可见光-红外光学常数曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

透明导电膜光学常数的表征可以分为紫外-可见短波波段，透明区波段和近红外-红外长波波段；紫外-可见短波波段的介电常数主要由禁带跃迁和膜层内存在的点缺陷有关，近红外-红外长波波段被称为类金属反射区，该波段的光学常数主要有自由电子共振决定，主要参数有迁移率和载流子浓度，电阻率。因此，本专利提出采用光学手段表征透明导电膜的电学特征。

实施例1

全光谱法表征透明导电膜ITO的电学特征

S1.在双面抛光样品上制备ITO透明导电膜样品，基板的透明区需要在测试波段范围内；

S2.测量石英基板上ITO薄膜样品在紫外-可见光波段和红外波段的透射光谱和反射光谱；

S3.利用Cody-Lorentz和Gaussian色散振子模型，表征短波方向能带跃迁和氧空位特征；

S4.利用Drude振子模型，表征长波方向ITO薄膜样品的自由电子特征；

S5.以紫外-可见光波段和红外波段的透射光谱和反射光谱为反演计算目标，采用步骤S2和步骤S3中的模型构建透明导电膜的光学色散模型，使用非线性约束优化算法，获得ITO薄膜样品宽光谱的光学常数，薄膜厚度d和电阻率ρ_n，根据电阻率与方阻的关系R_□＝ρ_n/d计算薄膜的方块电阻R_□。

S6.利用Lorentz振子模型，优化上述构建的光学色散模型，表征ITO薄膜样品的等离子共振吸收，同时表征ITO薄膜样品的自由电子局域态，获得等离子体共振波长和宽波段光学常数；

根据以下公式表示目标优化函数：

其中，MSE为测量值与理论模型计算值的均方差；N为测量波长的数目；M为变量个数；T_i ^exp、

分别为第i个波长的测量值；T_i ^mod、

分别为第i个波长的计算值；

分别为第i个波长的测量误差。

其中，可见光透明导电膜样品基板需要是可见光基板，包含并不限于石英、蓝宝石、可见光玻璃、氟化钙、氟化钡等；红外透明导电膜样品基板需要是红外基板，包括但不限于锗、硒化锌、硫化锌等。

具体的利用美国J.A.Woollam公司的J.A.WASE32软件进行薄膜光学常数反演计算，首先构建基板-薄膜的反演计算模型，基板的光学常数如图2，采用S2、S3以及S5构建的色散模型反演计算ITO的光学常数和电学参数，拟合曲线如图3～图6。评价函数MSE的值为2.985，得到ITO导电膜的厚度d＝136.369nm、电阻率ρ_n＝0.00031835Ω·cm、等离子体共振波长λ_p＝1791nm、方块电阻R_□＝23.34Ω/□和准确的紫外-可见-红外宽波段光学常数，光学常数见图7，为了分析测试结果的准确性，与四探针测试仪实际探测透明导电膜表征样品的方块电阻进行了对比；计算的方块电阻值与实测的方块电阻值的差异为1.34Ω/□。图8给出了不同工艺参数下制备的ITO透明导电膜方阻值，图中对比了四探针测试仪直接测试结果和光谱计算的方阻值。方阻小膜层厚度越大，膜层性能越稳定均匀性越好，两种测试结果越接近误差也越小。本实施例描述了一种通过光学手段获得ITO导电膜电学特征的方法。

实施例2

全光谱法表征超薄金属膜的电学特征

S1.在双面抛光石英基板上制备超薄Ag膜样品为了防止超薄Ag薄膜被氧化，采用Sub/D/M/D/的膜系结构，D为介质膜，M为金属膜，

S2测试石英基板上超薄金属膜样品紫外-可见光波段和红外波段的透射光谱和反射光谱；S3.采用Cody-Lorentz建立多振子色散模型表征短波方向能带跃迁特征；

S4.采用Drude振子模型表征长波方向自由电子的特征；

S5.以紫外-可见光波段和红外波段的透射光谱和反射光谱为反演计算目标，利用Cody-Lorentz和Gaussian色散模型叠加Drude色散模型构建透明导电膜的光学色散模型；

S6.采用Lorentz振子模型，优化上述构建的光学色散模型，表征超薄金属膜样品的等离子共振吸收，同时表征超薄金属膜样品的自由电子局域态，进而表征超薄金属膜样品的成膜状态；

S7.使用非线性约束优化算法，结合评价反演计算效果的目标优化函数，获得超薄金属膜样品的膜层厚度和电阻率，等离子体共振波长和宽波段光学常数，如图14；

根据以下公式表示目标优化函数：

其中，MSE为测量值与理论模型计算值的均方差；N为测量波长的数目；M为变量个数；T_i ^exp、

分别为第i个波长的测量值；T_i ^mod、R_i ^mod分别为第i个波长的计算值；

分别为第i个波长的测量误差。

其中，可见光透明导电膜样品基板需要是可见光基板，包含并不限于石英、蓝宝石、可见光玻璃、氟化钙、氟化钡等；介质膜可以SiO2，TiO2，HfO2，Ta2O5，Al2O3等但不限于是上述介质膜，超薄金属膜包括但不限于金膜、银膜、铝膜等。

具体的利用美国J.A.Woollam公司的J.A.WASE32软件进行薄膜光学常数反演计算，首先构建基板-薄膜的反演计算模型，基板的光学常数如图2，采用S2、S3以及S5构建的色散模型反演计算超薄银膜的光学常数和电学参数，拟合曲线如图10～图13，得到膜层厚度d＝10.744nm和电阻率ρ_n＝7.6166e^-006Ω·cm，等离子共振波长为390nm，方块电阻R_□＝7.1Ω/□，并与四探针测试仪实际探测透明导电膜表征样品的方块电阻进行对比差异为2.2Ω/□。四探针测试过程中样品的位置，均匀性均影响方块电阻的大小，并且超薄金属膜性质不稳定，均匀性差，所以存在较大差异。

本实施例中的方法适用于超薄金属膜、ITO、AZO等各类透明导电膜，红外导电膜电阻率和宽光谱的光学常数的精确表征，并且在表征精度、工作效率方面均有提升，并且减少了测试步骤，解决了透明导电膜表征不准确的问题，也为透明导电膜电学特征测试提供了无损检测途径。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备透明导电膜样品；

测量透明导电膜样品的透射光谱和反射光谱；

建立Cody-Lorentz和Gaussian短波色散模型；

建立Drude色散模型；

使用非线性约束优化算法，结合评价反演计算效果的目标优化函数，获得透明导电膜表征样品的膜层厚度和电阻率；

采用Lorentz振子模型优化Cody-Lorentz和Gaussian色散模型叠加Drude色散模型构建的光学色散模型，获得样品的等离子体共振波长和宽波段光学常数；

利用膜层厚度和电阻率计算透明导电膜的方块电阻，得到方块电阻计算值。

2.根据权利要求1所述的一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，所述透射光谱和所述反射光谱的表征波段包括：紫外-可见光-红外波段。

3.根据权利要求1所述的一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，所述Cody-Lorentz和Gaussian色散模型表征短波方向的电子跃迁和点缺陷。

4.根据权利要求1所述的一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，所述的Drude色散模型表征长波方向自由电子共振带来的吸收。

5.如权利要求1所述的全光谱法表征透明导电膜电学特征的方法其特征在于，根据以下公式计算透明导电膜的方块电阻：

其中，d为样品的膜层厚度；ρ_n为电阻率。

6.根据权利要求1所述的一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，所述Lorentz振子模型表征等离子共振吸收和透明导电膜内自由电子局域状态。

7.根据权利要求1所述的一种基于全光谱法的透明导电膜电学特征的表征方法，其特征在于，根据以下公式表示目标优化函数：

其中，MSE为测量值与理论模型计算值的均方差；N为测量波长的数目；M为变量个数；T_i ^exp、R_i ^exp分别为第i个波长的测量值；T_i ^mod、R_i ^mod分别为第i个波长的计算值；

分别为第i个波长的测量误差。

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