Оптические свойства и электронная структура поверхности меди, алюминия и титана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

^ ^ \

КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

\ в фея да® .

Мельниченко Людмила Юріївна

УДК 535.3:535.51

“Оптичні властивості та електронна структура поверхні міді, алюмінію та титану”

01.04.05 - “Оптика, лазерна фізика”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня. кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі оптики Київського університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник

доктор фізико-матемагичних наук, професор ШАЙКЕВИЧ Ігор Андрійович фізичний факультет Київського університету імені Тараса Шевченка, завідуючий кафедрою оптики

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ДМИТРУК Микола Леонтійович завідуючий відділом

Інституту фізики напівпровідників НАН України

кандидат фізико-математичних наук,

КРАВЕЦЬ Василь Григорович

старший науковий співробітник Інституту проблем

реєстрації інформації НАН України

Провідна організація: Інститут фізики НАН України (м.Київ)

Захист дисертації відбудеться “ 26 “ січня 1998 р. о 14 год. ЗО хв. на засіданні Спеціалізованої Ради (шифр Д-01.01.22) в Київському університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 252127, Київ, просп. Глушкова, 6, ауд. 200, фізичний факультет Київського університету імені Тараса Шевченка.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського університету імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 62.

Автореферат розісланий 99 ^ року.

Вчений секретар Спеціалізованої Ради доктор фізико-математичних наук

Охріменко Б.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

Проблема впливу поверхні на вимірювані оптичні властивості металів виникла практично одночасно з виникненням експериментальної та теоретичної металооптики. Головне питання завжди було в тому, наскільки оптичні властивості тонкого поверхневого шару на дзеркальній поверхні металу відповідають оптичним властивостям масивного металу на глибині, чи наскільки вони відповідають оптичним властивостям ідеально гладкої дзеркальної поверхні металу, вільної від шару окису та адсорбованих речовин. Ця проблема, перш за все, важлива тому, що спектральні металооптичні вимірювання дають багато цікавої інформації про енергетичну електронну структуру металів та дозволяють обчислити цілий ряд важливих електронних параметрів таких, як плазмова частота електронів шр, частота співударів електронів у, швидкість електронів на поверхні Фермі ор, енергетичну відстань між різними зонами ДЕ та ряд інших. Суттєвим е те, що достовірність визначення останніх в значній мірі залежить від відповіді на поставлене вище запитання. Оскільки метали є поглинаючими матеріалами та глибина проникнення електромагнітної світлової хвилі в метал при відбиванні (глибина скін-шару) складає декілька десятків нанометрів, то інформація, що отримана при металооптичних вимірюваннях, відповідає шару саме такої товщини. Реально поверхневий шар металу (навіть дзеркально полірованого) являє собою шорстку поверхню, на якій присутній тонкий шар окису та адсорбованих речовин. При цьому, як величина шорсткості, так і товщина окисного шару та адсорбованих речовин можуть бути за порядком величини порівняні з глибиною скін-шару. В такій ситуації питання про відповідність реально одержаних металооптичних даних результатам для чистої ідеально гладкої поверхні металу, є досить важливим.

Для оптично-полірованих поверхонь металів з незначними величинами шорсткості, тобто з незначними величинами значень середньоарифметичних відхилень профілю поверхні И, від площини, особливо важливу роль відіграють тонкі поверхневі шари окису (метали сильно окислюються) та інших хімічних сполук, а також адсорбовані шари різних молекулярних сполук.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках д/б теми №114 “Поляритонно

- спектроеліпсометричне дослідження електронної структури масивних металів і тонких металічних плівок” № д.р. 0194Ш07133, Комплексна наукова програма КУ “Матеріали і речовини”, пріоритетний напрямок “Оптика і спектроскопія нових матеріалів функціонального призначення та опто-електронні системи контролю якості поверхні”.

Мета і задачі дослідження.

Метою даного дослідження було детальне вивчення впливу шару окису та адсорбованих речовин на макроеліпсометричні параметри і оптичні сталі Си, А1 та Ті в широкому спектральному діапазоні, а також одержання оптичних властивостей самих поверхневих шарів для того, щоб зробити висновки про внесок цих шарів в обчислювані електронні параметри та енергетичну зонну структуру вищезазначених металів.

Для досягнення цієї мети була розроблена нова спектроеліпсометрична методика із збудженням поверхневих поляритонів при декількох кутах падіння, яка дозволила визначити всі оптичні параметри, як поверхневих шарів так і масивних металічних дзеркал, а також товщини поверхневих шарів. Зняття поверхневого шару окису та адсорбованих речовин здійснювалось за допомогою йонного бомбардування. В ролі об’єктів дослідження були обрані метали, які мають широке практичне застосування і досить ретельно досліджені іншими методами. Мідні та алюмінієві дзеркала знаходять широке використання в резонаторах потужних лазерів інфрачервоного діапазону, а титан є широковідомим адсорбентом, що використовується в надвисоковакуумних насосах і інших пристроях.

Вивчення впливу стану поверхні Си та А1 на їх вимірювані оптичні властивості (амплітудні та фазові співвідношення між падаючою та відбитою хвилями) дасть можливість більш чітко прогнозувати роботу як резонаторів потужних лазерів інфрачервоного діапазону, так і фазозсувних пристроїв, які використовуються при роботі з потужними лазерами.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

1) Розроблено нову методику спектроеліпсометричних вимірювань оптичних сталих окислених поверхневих шарів на металах і оптичних сталих чистих металів з врахуванням поверхневого шару при збудженні поверхневих поляритонів за допомогою призми повного внутрішнього відбивання за схемою Отто.

2) За допомогою спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів вперше одержані спектральні залежності оптичних сталих поверхневого шару на міді. Показано, що цей шар є гетерогенною сумішшю мідних кластерів і кластерів СигО. У видимій ділянці спектру виявлено три максимуми поглинання, які відповідають екситонному поглинанню, поглинанню домішкових центрів та поглинанню, що обумовлене резонансною взаємодією електронних переходів з плазмовими коливаннями.

3) Показано, що визначена на основі врахування поверхневого шару оптична провідність чистої поверхні міді, більша за величиною, ніж оптична провідність міді, визначена без врахування поверхневого шару. Міжзонні

переходи в X та Ь точках зони Бріллюена для чистої поверхні міді більш чітко виражені, що вказує на своєрідне "екранування” міжзонних переходів в металах поверхневим шаром.

4) Застосування спектроеліпсометрії із збудженням' поверхневих поляри-тонів дало змогу вперше експериментально спостерігати два типи міжзонних переходів для А1 в околиці К та точок зони Бріллюена. Експериментально визначені частоти цих переходів.

5) На спектральній залежності оптичної провідності чистої поверхні полі-кристалічного Ті вперше виявлено два максимуми, що відповідають електронним переходам в Г та К точках зони Бріллюена. Визначено частоти цих переходів.

6) Для А1, Си та Ті підібрано режими йонного бомбардування в розрідженій повітряній атмосфері, при яких швидкість зняття шару окису превалює над швидкістю окислення.

7) Для спектроеліпсометричної установки з неперервним скануванням кута падіння розроблено високоапертурний ахроматичний ромб Френеля з тонко-плівочним покриттям.

8) Розроблено еліпсометричну методику визначення малих концентрацій органічних смол (наприклад: каніфолі, пеку та ін) на поверхні мідних та алюмінієвих дзеркал.

Практичне значення одержаних результатів.

Одержані оптичні сталі чистих поверхонь міді та алюмінію можуть бути використані при розрахунках резонаторів та фазозсувних пристроїв потужних лазерів інфрачервоного діапазону.

Вперше знайдені режими йонного бомбардування мідних, алюмінієвих та титанових дзеркал в розрідженій повітряній атмосфері, при яких швидкість зняття поверхневого шару та адсорбованих речовин перевищує швидкість окислення.

Розроблена методика еліпсометричного контролю малих концентрацій органічних смол на поверхні мідних та алюмінієвих дзеркал, яка може бути застосована при виробництві цих дзеркал (при поліруванні вони приклеюються органічними смолами) і контролю їх очищення від забруднюючих поверхню речовин.

Розроблений високоапертурний ромб Френеля може знайти широке застосування в різних точних поляризаційних пристроях.

Особистий внесок здобувача у розробку наукових результатів, що виносяться на захист полягає у постановці окремих задач, виборі об’єктів досліджень, постановці експериментальних методик, виконанні всіх експериментів та вимірів або безпосереднє керівництво ними. Дисертанту частково належить також аналіз та теоретичне узагальнення усіх даних, накопичених у результаті проведених досліджень, у тому числі і опублікованих разом із співавторами.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи були оприлюднені та обговорені на Загальносоюзних Науково-практичних семінарах “Оптика и спектроскопия в народном хозяйстве” (м. Мелітополь, 1990. м. Камінець-Подільськ, 1992 р.), на Міжнародній конференції “High performance optical spectrometry” (м. Варшава, 1992 p.), на Першій Міжнародній конференції з спектральної еліпсометрії (м. Париж, 1993), на Міжнародній конференції з фізики та технології тонких плівок (м. Івано-Франківськ, 1995, 1996 pp.), на семінарі “Практичне застостосування інструментальних методів аналізу” (Ялта, 1995, 1996), на XÍ Міжнародній конф. “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение” (м. Москва, 1996 р.), на International Coaf. on Opt. Diagnost. of Mater, and Devices for Opto-, Micro-, Quantum electronics (OPTDIM’95,’97, Kiyv 1995 p., 1997 p. SPIE), на ХШ Національному школі-семінарі з міжнар. участ. ’’Спектроскопія молекул та кристалів” (м. Суми, 1997 p.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 17 наукових праць, з них: 6 - статті та 11 - тези доповідей.

Положення, що виносяться на захист.

1) Спектроеліпсометрична методика вимірювання оптичних сталих поверхневого шару металу, оптичних сталих чистої металічної поверхні та товщини поверхневого шару при збудженні поверхневих поляритонів при різних кутах падіння.

2) На вперше одержаній спектральній кривій оптичної провідності поверхневого шару на мідному дзеркалі, який являє собою гетерогенну суміш кластерів міді і кластерів СигО, спостерігається три максимуми, які співставлено з екси-тонним поглинанням, поглинанням домішкових центрів та з поглинанням, що викликане резонансом взаємодії електронних переходів з плазмовими коливаннями.

3) Врахування поверхневого шару і застосування спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів дало змогу вперше експериментально спостерігати окремо два типи міжзонних переходів для алюмінію в околиці К та W точок зони Бріллюена.

4) Врахування поверхневого шару і застосування. спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів дало змогу вперше спостерігати два типи міжзонних переходів в полікристалічному титані в Г та К точках зони Бріллюена, що раніше спостерігалися лише в монокристалічному титані.

5) Високоапертурний ахроматичний ромб Френеля з тонкоплівочним покриттям.

Об’єм та структура роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 112 найменувань.

Повний обсяг дисертації складає 145 сторінок. Текст викладено на 114 машинописних сторінках, дисертація містить 40 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульована мета та визначені конкретні задачі роботи, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, викладені положення, що виносяться на захист, коротко викладено зміст кожного розділу дисертації.

Розділ перший присвячений огляду літератури. Розглянуті питання еліпсо-метричного аналізу світлової хвилі, відбитої від ідеальної та реальної межі поділу двох середовищ, в тому числі, при збудженні поверхневої електромагнітної хвилі на межі поділу. Показано підвищення чутливості експериментальних вимірювань при застосуванні спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляри-тонів у порівнянні з звичайною спектроеліпсометрією.

На основі аналізу літературних даних з еліпсометрії показано, що формули класичної металооптики для ідеальної межі поділу діелектрик-метал не можна застосовувати до реальної межі поділу, яка є шорсткою і на ній існує поверхневий шар окису та адсорбованих речовин.

Розглянуті експериментальні результати показали, що для одержання оптичних сталих металів, необхідно досліджувати масивні металічні зразки, застосовуючи спектроеліпсометрію із збудженням поверхневих поляритонів за схемою Отто.

Показано, що еліпсометрія із збудженням поверхневих поляритонів досі використовувалася лише для дослідження дуже тонких металічних плівок із збудженням поверхневих поляритонів за схемою Кречмана. Металооптичні роботи для масивних металів із збудженням поверхневих поляритонів за методом Отто практично відсутні.

У другому розділі наведено розроблену методику багатокутової спектро-еліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів для окисленої металічної поверхні. Запропонована методика дозволяє визначити оптичні сталі (показники заломлення та поглинання) чистого металічного дзеркала та перехідного шару на ньому, а також товщину цього шару і величину повітряного проміжку між призмою ПВВ і досліджуваним зразком. Для розв’язання оберненої задачі еліпсометрії використовується загальна схема однорідних тонкошарових покрить. В нашому випадку існує чотири середовища і три межі поділу, тобто розглядається система скло (призма ПВВ п=1,51) - шар повітря (п=1) - поверхневий шар (п5 = пз-ікз) - метал (п4 = пд-ікі). Головне рівняння еліпсометрії для такої системи має вигляд: • .

Френелівські коефіцієнти відбивання на межах 1-2, 2-3 та 3-4 для р та в поляризацій мають наступний вигляд:

«Ч СОвфі - П1 С05ф2 П1 СОвф! - П2 С08ф2 #

Щ СОЯф, + Я| СОБ ф2 г12 п1 С05ф1 +п2 со5ф2

«5 СОБфз - п2 совфз г* п2 СОБ ф 2 - П3 Шф3 а

1 31І Ы СОБ ф2 + п2 С05ф3 г23 п2 совф2 +п, совфз

п* СОБфз - п3 СОвф4 г* п3 СОвфз - п4 СОвфд

СОБфз + п3 СОБ фд *34 п3 СОвфз + п4 СОЯф4

совф] = -у/і - віп2 ф2; совфз = -/і - віп* (рз; сояф4 = ^/і-зіп2 <р4;

Враховуючи комплексність співвідношень одержують систему з шести трансцендентних рівнянь, яка за допомогою чисельного методу найшвидшого спуску розв’язується відносно шести невідомих параметрів: гц та пз - коефіцієнти заломлення металу та перехідного шару відповідно, кд та кз - їх коефіцієнти поглинання, гіг - товщина повітряного проміжку і «Із - товщина перехідного шару. Застосовуючи методи оптимізації, добираючи одночасно всі шість параметрів (при заданому куті падіння та довжині хвилі) необхідно одержати збігання розрахованих еліпсометричних параметрів з експериментально виміряними при такому ж куті падіння та довжині хвилі. За умови, що товщини гіг та (із сталі величини, є ще необхідним збігання результатів для різних кутів падіння.

Далі описані експериментальна установка та експериментальний метод Бітті для спектроеліпсометричних вимірювань.

Розглянуто запропоновану та розроблену методику йонного бомбардування поверхні металічних дзеркал в розрідженій атмосфері повітря. Проведено порівняння запропонованої методики з існуючими.

Описано запропоновану еліпсометричну методику контролю залишкових шарів органічних смол на поверхні мідних та алюмінієвих дзеркал при їх виготовленні.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням мідних дзеркал з шаром окису та адсорбованих речовин на поверхні. Показано, що бомбардування поверхні металічних дзеркал низькоенергетичними йонами аргону приводить до зняття поверхневого шару. Вперше показано, що можна підібрати

такі режими бомбардування мідної поверхні йонами, що входять до складу повітря, при яких швидкість зняття шару окису та інших хімічних сполук на поверхні буде перевищувати швидкість їх утворення.

Завдяки застосуванню розробленої методики обробки еліпсометричних даних вперше методом спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів одержано спектральні залежності оптичних сталих перехідного окисного шару на міді. Для визначення впливу окису на оптичні сталі міді та чіткого визначення його оптичних сталих була обрана максимальна товщина шару окису, тобто зразок, що окислювався протягом б місяців на повітрі. В результаті вимірювань та розрахунків були одержані спектральні залежності показника заломлення пі і показника поглинання к( перехідного поверхневого шару на мідному дзеркалі. На кривій пі(Х,) спостерігалося три максимуми. Товщина перехідного поверхневого шару склала 5 нм. Одержана товщина плівки добре відповідає даним роботи [1].

В роботі [2] було досліджено спектральні залежності повністю окислених йонами кисню тонких мідних плівок товщиною порядку 100 нм. В залежності від режимів окислення утворилися плівки СигО, СиО, змішаного складу та плівки СигО, що містять в собі кластери чистої міді. Співставлення одержаних залежностей іц(Я) та кі(Х) з відповідними спектральними кривими [2] показали, що наші дані добре відповідають спектральним кривим для зразка СигО, що містить в собі кластери міді. Тільки в цьому випадку в [2] спостерігалися три максимуми на спектральній кривій показника заломлення п, які лежать в тих самих діапазонах довжин хвиль, що і на наших кривих, а саме: Хі » 550 нм; Я.2 » 675 нм; Хз » 775 нм. У всіх інших випадках максимуми при Яг « 675 нм і Хз » 775 нм відсутні. Таким чином, можна прийти до висновку, що і в досліджуваному нами випадку поверхневий шар на мідному дзеркалі є сумішшю СигО з кластерами міді. Останнє досить логічно, тому що поверхневий шар шорсткий, і в результаті його окислення на поверхні виникає шар СигО+Си, який можна екстраполювати плоскопаралельним шаром з ефективними оптичними константами та ефективною товщиною.

На рис.1 наведена спектральна залежність оптичної провідності аі=пікіс/Я. (с - швидкість світла) для поверхневого шару на міді. На кривій оптичної провідності (рис.1) спостерігаються ті ж три максимуми, що і для кривої пі(Я.), що відповідають трьом пікам поглинання, оскільки для сильнопоглинаючих речовин саме оптична провідність характеризує поглинання речовини. Смуга з максимумом при Хі « 550 нм відповідає екснтонному поглинанню [3] в СигО, а ось механізм утворення смуг з максимумами при Х2 ~ 675 нм та Хз « 775 нм потребує більш детального роз’яснення. Енергетичні розрахунки показують, що смуга при 675 нм енергетично добре відповідає

переходам з акцепторних кисневих рівнів до зони провідності [3]. В той же час, згідно з [3] в чистому СигО ця смуга не спостерігається внаслідок малого внеску вищевказаних переходів у загальне поглинання, що викликане міжзонними переходами. Однак, металічна поверхня (точніше металічні кластери) підсилюють оптичні ефекти в поверхневому шарі як нелінійні [4], так і лінійні. Відповідно до [5] у кластерах відбувається резонанс оптичної провідності, а це приводить до різкого підсилення поглинання в гетерогенному середовищі, яким є поверхневий шар на міді.

2,0Г С_1

1,5

1,0

0,5

0

— о- —

X, нм

500 600 700 800 900

Рис. 1. Дисперсійна залежність оптичної провідності а і поверхневого окисного шару на мідному дзеркалі.

Пік на кривій оптичної провідності (рис.1) при Хз ~ 775 нм пояснюється, як зсунутий плазмовий резонанс за рахунок взаємодії плазмових коливань з електронними переходами. Відомо [5], що при наближенні плазмової частоти <ар до частоти електронного переходу ше виникає не одна плазмова частота, а дві сарі та С0р2» зсунуті одна відносно другої. Оскільки довжина хвилі поверхневого плазмона на межі поділу Си-СигО Хр = 490 нм, і вона близька до довжини хвилі електронних переходів, що викликають поглинання у поверхневому шарі на міді, то такий механізм цілком можливий. Розрахунки показали, що довгохвильова плазмова частота співпадає з положенням максимуму для X =775 нм при досить розумній силі осцилятора fe » 0,2.

Одержано ряд характеристик поверхневих поляритонів на окисленій мідній поверхні, зокрема дисперсійну криву поляритона, частотну залежність ефективної діелектричної сталої поверхневого шару, частоту плазмового поверхневого поляритону, довжину вільного пробігу поверхневого поляритону.

Одержано спектральну залежність оптичної провідності чистої мідної поверхні, не спотворену шаром окису і адсорбованих речовин. Міжзопні переходи при цьому в X та Ь точках зони Бріллюена більш чітко виражені, ніж на окисленій поверхні, тобто спостерігається факт своєрідного “розмиття” міжзон-них переходів завдяки поверхневому окисному шару.

Розроблено еліпсометричну методику визначення мінімальної товщини залишкових тонких плівок органічних смол на мідній поверхні. Показано, що елігі сометричні параметри дають інформацію про взаємодію каніфолі або пеку з мідною поверхнею.

У четвертому розділі представлено результати експериментального дослідження алюмінієвих дзеркал з шаром окису та адсорбованих речовин на поверхні.

Показано, що бомбардування поверхні алюмінієвого дзеркала низькоенер-гетичними йонами аргону знімає не тільки поверхневий шар окису та адсорбованих молекул, але й порушений шліфуванням та поліровкою верхній шар алюмінію. Підібрано режими бомбардування алюмінію для зняття поверхневого шару в тліючому розряді в розрідженій повітряній атмосфері.

На рис. 2 наведені залежності оптичної провідності сг від довжини світлової хвилі X для полірованого йоиним бомбардуванням чистого алюмінієвого дзеркала, що одержані методом звичайної еліпсометрії (крива 1), методом еліпсо-метрії з збудженням поверхневих поляритонів (крива 2), та обчислені за еліпсо-метричними параметрами, одержаними методом звичайної еліпсометрії, за формулами металооптики без врахування поверхневого шару.

Рис. 2. Дисперсійні залежності оптичної провідності для алюмінієвого дзеркала.

Аналіз кривих на рис. 2 показує, що відомий з літератури максимум оптичної провідності для А1 при X ~ 800 нм (1,55 еВ), який обумовлений двома типами міжзонних переходів поблизу К та її точок зони Бріллюена спостерігається, як одиничний без всякого розщеплення, при розрахунках за формулами металооптики (крива 3). Те ж саме спостерігається і в усіх роботах, присвячених оптичним сталим А1. В той же час врахування поверхневого шару на А1, як це зроблено в наших дослідженнях, дає подвійну структуру смуги квантового поглинання в алюмінії (криві 1 і 2). Особливо різко це розщеплення спостерігається в експериментах із збудженням поверхневих поляритонів (крива 2). Таким чином, вперше вдалося експериментально спостерігати окремо смуги поглинання, обумовлені переходами в К та її точках зони Бріллюена для А1. Більш високоенергетична (короткохвильова) смуга на рис.2 відповідає переходам в її точці зони Бріллюена, а менш енергетична (довгохвильова) смуга -переходам в К точці зони Бріллюена.

Дуже цікавим є той факт, що навіть звичайна еліпсометрія з правильним врахуванням ролі поверхневого шару окису та адсорбованих речовин дає подвійну смугу поглинання, хоча роздільна здатність у випадку звичайної еліпсометрії менша, ніж у поляритонної.

Одержані дисперсійні залежності показника заломлення та показника поглинання перехідного поверхневого шару на алюмінієвих дзеркалах свідчать про те, що перехідний поверхневий шар є окисом алюмінію АІ2О3 з домішками кластерів чистого алюмінію. Аналіз дисперсійних залежностей оптичних сталих перехідного поверхневого шару окису на А1 показав, що вимірювання, проведені із збудженням поверхневих поляритонів, дають результати, які по значенню показника заломлення пі більше наближаються до показника заломлення масивного кристалічного АІ2О3 [6] ніж значення, що одержані методом звичайної еліпсометрії, хоча й вони є дещо заниженими у порівнянні з показником заломлення масивного АІ2О3. Останнє свідчить про те, що еліпсометрія із збудженням поверхневих поляритонів більш чутлива до стану поверхневого шару і його оптичних констант, ніж звичайна еліпсометрія.

Показано, що поверхневий поляритон на окисленому алюмінієвому дзеркалі за своїми параметрами мало відрізняється від поверхневого поляритону на неокисленому чистому алюмінієвому дзеркалі завдяки малій товщині окисного шару і ефективній діелектричній сталій перехідного шару близькій до одиниці.

Показано, що еліпсометричні методи дозволяють визначити малі концентрації органічних смол на поверхні алюмінієвих дзеркал. Ці концентрації можуть бути менші за 10‘7 г/см3 смоли розчиненої в ацетоні, що відповідає плівці органічних смол на поверхні товщиною 1 нм.

П’ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням окислених титанових дзеркал. Показано, що при бомбардуванні йонами повітря поверхні

- и -

титану можливо підібрати режими, при яких швидкість зняття шару окису та адсорбованих речовин перевищує швидкість окислення, тільки при похилому падінні йонів на поверхню титанового дзеркала. Одержано спектральні залежності оптичної провідності зразків титану до та після йонного бомбардування його поверхні під кутом 45°, які одержані за допомогою як звичайної, так і поляритонної спектроеліпсометрії. На них спостерігаються два незначні за величиною максимуми оптичної провідності при X ~ 450 нм і X ~ 800 нм. Ці максимуми поглинання за енергетичним положенням відповідають міжзонним електронним переходам в околиці Г і К точок зони Бріллюена із зон, що лежать нижче рівня Фермі, в зони, що розташовані вище рівня Фермі. Причому переходи в К точці ототожнюються з максимумом поблизу X ~ 800 нм, а в Г точці - з максимумом при X ~ 450 нм. Згідно з [6] одержані нами дані для оптичних сталих шару окису на титані не співпадають з відповідними даними для масивного ТіОг. Вони дещо занижені для показника заломлення пі і значно завищені для показника поглинання кг. Останнє говорить про те, що поверхневий шар на титані складається з кластерів окису титану і кластерів титану, але металічної фази в ньому значно більше ніж в алюмінії.

В огляді робіт з оптичних властивостей титану [6] для полікристалічного титану ці максимуми не спостерігаються. Слід зазначити, що в усіх реферованих в [6] роботах не враховувався шар окису і адсорбованих речовин, як це було зроблено нами. В той же час в [6] для монокристалічних зразків титану обидва максимуми спостерігаються для різних орієнтацій вектора Е відносно осі С. Максимум при X ~ 450 нм спостерігається для Е||С, а максимум для X ~ 800 нм спостерігається для Е±С. Врахування шару окису та адсорбованих речовин дало нам можливість вперше спостерігати обидва максимуми для полікристалічних зразків титану і дати їм відповідне тлумачення. .

Висновки

Проблема визначення впливу поверхні на вимірювані оптичні властивості металів дуже нагальна. В дисертаційній роботі експериментально детально досліджено вплив поверхневих шарів окису та адсорбованих речовин на вимірювані макроеліпсометричні параметри і оптичні сталі Си, А1 та Ті в широкому спектральному діапазоні, а також одержані оптичні властивості самих поверхневих шарів.

Відзначимо наступні основні результати та висновки:

1) Розроблено оригінальну методику спектроеліпсометрії окисленої металічної поверхні при декількох кутах падіння із збудженням поверхневих поляритонів за схемою Отто. Методика дозволяє одержати оптичні сталі чистої (неокисленої) металічної поверхні, оптичні сталі поверхневого шару окису та його товщину.

2) Вперше методом спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поля-ритонів одержано спектральні залежності оптичних сталих поверхневого окисного шару на міді. Виявлено, що на спектральній залежності оптичної провідності спостерігаються три максимуми, які ототожнюються з поглинанням, викликаним екситонними переходами в СигО, переходами із акцепторних доміш-кових кисневих станів в зону провідності в С112О, і плазмовими коливаннями, зміщеними за рахунок взаємодії цих коливань з електронними переходами. Показано, що поверхневий шар є гетерогенною сумішшю кластерів СіцО і кластерів міді.

3) Показано, що визначена на основі врахування поверхневого шару оптична провідність чистої поверхні міді, більша за величиною, ніж оптична провідність міді, визначена без врахування поверхневого шару. Міжзоіші переходи в X та Ь точках зони Бріллюена для чистої поверхні міді більш чітко виражені, що вказує на своєрідне “екранування” поверхневим шаром міжзонних переходів в металах.

4) Одержано дисперсійні залежності показника заломлення та показника поглинання перехідного поверхневого шару на алюмінієвих дзеркалах. Ці залежності свідчать про те, що перехідний поверхневий шар складається з окису алюмінію АІ2О3 та домішків кластерів чистого алюмінію. ■

5) Застосування спектроеліпсометрії із збудженням поверхневих поляритонів дало змогу вперше експериментально спостерігати окремо два типи міжзонних переходів для А1 в околиці К та її точок зони Бріллюена. Експериментально визначені частоти цих переходів.

6) Спектральні залежності оптичних сталих перехідного поверхневого шару на титані свідчать про те, що він є гетерогенною сумішшю кластерів окису титану і кластерів чистого титану, причому металічної фази в ньому значно більше ніж в поверхневому шарі на алюмінії.

7) Вперше для полікристалічного типу титану, завдяки розробленій нами методиці, на кривій оптичної провідності спостерігалося два максимуми, при 450 нм та 800 нм, які ми пов’язуємо з електронними переходами в К та Г точках зони Бріллюена. Раніше ці максимуми спостерігалися лише в монокристалічній фазі титану.

8) Одержано ряд характеристик поверхневих поляритонів на окисленій мідній та алюмінієвій поверхнях, зокрема дисперсійну криву поляритона, частотну залежність ефективної діелектричної сталої поверхневого шару, частоту плазмового поверхневого поляритону, довжину вільного пробігу поверхневого поляритону. Показано, що поверхневий поляритон на окисленому алюмінієвому дзеркалі за своїми параметрами, мало відрізняється від поверхневого поляритону на неокисленому чистому алюмінієвому дзеркалі завдяки малій товщині окисного шару і ефективній діелектричній сталій перехідного шару близькій до одиниці.

9) Вперше визначені режими йонного бомбардування мідних, алюмінієвих та титанових дзеркал в розрідженій повітряній атмосфері, при яких швидкість зняття поверхневого шару та адсорбованих речовин перевищує швидкість окислення. Показано, що при бомбардуванні йонами повітря поверхні титану можливо підібрати такі режими тільки при похилому падінні йонів на поверхню титану.

10) Розроблено оригінальний ахроматичний ромб Френеля для спектро-еліпсометричної установки з неперервним скануванням кута падіння, який відрізняється від відомих аналогічних пристроїв високою апертурою і таким чином підвищує світлосилу, а значить і чутливість спектроеліпсометричної установки.

11) Розроблено еліпсометричну методику визначення мінімальної товщини залишкових тонких плівок органічних смол на мідній та алюмінієвій дзеркальній поверхні. Показано, що еліпсометричні параметри дають інформацію про взаємодію каніфолі або пеку з мідною поверхнею, а також що, еліпсометричні методи дозволяють визначити малі концентрації органічних смол на поверхні дзеркал. Ці концентрації можуть бути менші за 10'7 г/см3 смоли розчиненої в ацетоні, що відповідає товщині залишкового шару порядку 1 нм.

Список основних робіт автора, що увійшли до дисертації

1. Васильєва JI.K., Дрозд П.И., Мельниченко Л.Ю., Поперенко Л.В., Снопен-ков Б.Д., Шайкевич И.А., Шорохов О.А. Изменение оптических свойств приповерхностных слоев никеля и меди в условиях бомбардировки низкоэнергетическими ионами аргона//Эллипсометрия в науке и технике,- Новосибирск: Наука, 1987. - С. 118-120.

2. Дрозд П.Й., Іваницька Г.П., Мельниченко Л.Ю., Шайкевич І.А., Пророк В.В. Вплив адсорбованих тонких плівок органічних смол на оптичні параметри алюмінієвих та мідних дзеркал//Вісник Київського унівеситету. Фізико-математичні науки. - 1992. -№5. - С. 100-103.

3. Жерибор И.В., Мельниченко Л.Ю., Цыганов Н.Л., Шайкевич И.А. Стеклянный ахроматичный ромб Френеля с повышенной апертурой//Оптичес-кий журнал (ОМП). - 1992. - №2. - С. 65-66.

4. Мельниченко Л.Ю., Трайдук С.Ф., Шайкевич І.А. Резонансні розмірні ефекти в тонких нікелевих плівках//Вісник Київського унівеситету. Фізико-матема-тичні науки. - 1995. - №1. - С. 295-302.

5. Bolottsev V.A., Melnichenko L.Yu., Shaikevitch I.A. Pasko V.Yu. Optical properties of copper and aluminium stadied with considération for a surface layer using ordinary and polariton spectroellipsometry//J. Functional Materials (Kharkov). -1995. - V.2. - №2. - P. 287-290.

6. Shaikevitch I.A., Kolesnik P.V., Melnichenko L.Yu., Pasko V.Yu. Investigation of thin films of high and low absorbing substances by the method of spectro-

ellipsometry with excitation of surface polaritons //Proc. SPIE.- 1995.-V.2648. -P. 161-164.

7. Шайкевич И.А., Цыганов Н.Л., Мельниченко Л.Ю. Расчет тонкопленочных покрытий, повышающих апертуру ахроматического стеклянного ромба Френеля. //Матер.науч.практич.семин.’’Оптика и спектроскопия в народном хозяйстве” июль 1990, г. Мелитополь. - Киев: Об-во “Знание” Украины. - 1991. - С. 10.

8. Дрозд П.И., Мельниченко Л.Ю., Пророк В.В. Эллипсометрические исследования тонких пленок адсорбированных слоев органических смол//Матер. науч. практич. семин. ’’Оптика и спектроскопия в народном хозяйстве" июль 1990, г. Мелитополь. - Киев: Об-во “Знание” Украины. - 1991.- С. 6.

9. Дрозд П.И., Мельниченко Л.Ю., Шайкевич И.А. Метод многоугловой поля-ритонной спектроэллипсометрии для исследования свойств металлических зеркал //Матер, науч. практич. семин. ’’Оптика и спектроскопия и их применение в народном хозяйстве” июнь 1992, г. Каменец-Подолький.- Киев: Об-во “Знание” Украины. - 1992. - С. 6.

10. Болотцев В.А., Дрозд П.И., Мельниченко Л.Ю., Шайкевич И.А. Исследование поверхностного слоя на меди методом поляритонной спектро-эллипсометрии//Матер. науч. практич. семин. ’’Оптика и спектроскопия и их применение в народном хозяйстве” июнь 1992, г. Каменец-Подолький. - Киев: Об-во “Знание” Украины. - 1992. - С. 109.

И. Drosd P.I., Melnichenko L.Yu., Shaikevitch I.A. Polariton spectroellipsometry of surface layers on metals//Abs.International Conf. “High performance optical spectrometry.- Warsaw (Poland). - 1992. -P. 73.

12. Melnichenko L.Yu., Poperenko L.V., Shaikevitch I.A. Spectroellipsometry of real surfaces of metals and alloys//Abs. First International Conf. on Spectroscopic ellipsometry (ICSE’93). - Paris (France). - 1993. - P. JeP29.

13. Лукащук T.B., Мельниченко Л.Ю., Шайкевич И.А. Спектроэллипсометрические исследования адсорбированных молекул органических веществ на металлических поверхностях//Тез. докл. семинара “Спектральные методы анализа: техника и практика”.- Ялта. - 1995.- С. 22-23.

14. Мельниченко Л.Ю., Шайкевич И.А. Оптические свойства тонких поверхностных окисных слоев на меди//Тез.доп. семш. “Практ. застое, шструм. метод. анал1зу”. - Ялта. - 1996. - С. 33-34.

15. Мельниченко Л.Ю, Шайкевич И.А. Спектроэллипсометрические исследования поверхностного слоя на меди с возбуждением поверхностных поляритонов // Тез. XI - Междунар. конф. “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”.

- г. Москва. - 1996. - С. 56.

16. The properties of polaritons excited at the copper-oxide surface layer interface surface//Abs. International Conf. on Opt. Diagnost. of Mater, and Devices for Opto-, Micro-, Quantum electronics (OPTDIM’97). - Kiev (Ukraine).-1997.- P. 68.

- 15-

17. Губанов В.А, Мельниченко Л.Ю., Шайкевич I.A. Фізичні механізми поглинання в поверхневому шарі окису на міді//Тез.доп.ХШ Нац. школи-семін. з міжнар. участ. ’’Спектроскоп молекул та кристалів”, м.Суми.- 1997,- С. 33.

Список цитованої літератури '

1. Чистый И.Л., Горохова Л.Н. Оптические свойства полированной медной поверхности // Поверхность. 1986. №1. с..100-107.

2. Drobny V.F., Pulefrey D.L. Properties of reactively-sputtered copper oxide thin films // Thin Solid Films.- 1979,- V.61.- №1,- P. 89-98

3. Гросс Е.Ф. Спектр возбуждения экситонов в кристаллической решетке// Успехи физических наук.- 1957,- Т.63.- №3.- С. 575 -611.

4. Нечитайлов П.В., Тищенко A.A., Шека Е.Ф. Спектроскопия молекул на поверхности // Поверхность,- 1990,- №4.- С.5-10.

5. Петров Ю.И. Физика малых частиц. -М.: Наука, 1982.- 356 с.

6. Weaver J.H., Krafka C., Lunch D.W., Koch E.E. Optical properties of metals. V.I,II.// Internal Reports D.E.S.J. Hasylab. 81/01.- 1981.- 127 p.,- 256 p.

Мельниченко Л.Ю. Оптичні властивості та електронна структура поверхні міді, алюмінію та титану. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика.- Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1997.

Дисертація присвячена питанням одержання оптичних сталих металічних дзеркал Си, АІ та Ті спектроеліпсометрігчними методами з врахуванням впливу поверхневих шарів окису та адсорбованих речовин на вимірювані оптичні та електронні параметри досліджуваних металів. В роботі запропоновано нову спектроеліпсометричну методику вимірювання еліпсометричних параметрів при збудженні поверхневих поляритонів та обчислення оптичних сталих як масивних металів, так і поверхневих шарів на них, а також товщин цих шарів. Застосовуючи запропоновану методику, одержано спектральні залежності оптичних параметрів (показників заломлення та поглинання, оптичної провідності) для поверхневих шарів і масивних мідних, алюмінієвих та титанових дзеркал, що дозволило зробити низку експериментально та теоретично обгрунтованих висновків, про склад, електронну структуру як поверхневих шарів, так і чистих масивних Си, АІ та Ті.

Ключові слова: еліпсометрія, поверхневий поляритон, оптичні властивості, поверхневі шари, поверхня, електронна енергетична структура,.

Мельниченко Л.Ю. Оптические свойства и электронная структура поверхности меди, алюминия и титана.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика.- Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1997.

Диссертация посвящена вопросам получения оптических постоянных металлических зеркал Си, А1 и Т1 спектроэллипсометрическими методами с учетом влияния поверхностных слоев окислов и адсорбированных веществ на измеряемые оптические и электронные параметры. В работе предложена новая спектроэллипсометрическая методика измерения эллипсометрических параметров при возбуждении поверхностных поляритонов и вычисления оптических констант как массивных металлов, так и поверхностных слоев на них, а также толщин этих слоев. Применяя предложенную методику получены спектральные зависимости оптических параметров (показателей преломления и поглощения, оптической проводимости) поверхностных слоев и массивных медных, алюминиевых и титановых зеркал, что позволило сделать ряд экспериментально и теоретически обоснованных выводов о составе, электронной структуре как поверхностного слоя, так и чистых массивных Си, А1 и Тг

Ключевые слова: эллипсометрия, поверхностный поляритон, оптические свойства, поверхностные слои, поверхность, электронная энергетическая структура.

Melnichenko L.Yu. Optical properties and surface electron structure of the copper, aluminium and titanium.- Manuscript.

Thesis for candidate’s degree of physical and mathematical science by specialty

01.04.05 - optics, laser physics.- Taras Shevchenko Kyiv University, Kyiv, 1997.

The dissertation is devoted to questions concerning to receive the optical constants of the Cu, A1 and Ti metal mirrors by spectroellipsometric methods taking into account an influence of the surface layers of the oxides and the adsorbed matter on to the optical and electronic parameters which are to be measured. The new spectroellipsometric method allowing to measure the ellipsometric parameters by excitation of the surface polaritons and to calculate the optical constants of massive metals as well as the optical constants and thickness of the surface layers on these mirrors is proposed. By this method, the spectral dependence on optical parameters (refraction and absorption indexes, optical conductivity) of the surface layers and the massive copper, aluminium and titanium mirrors is received. This allowed to make the experimental and theoretical conclusions about composition, electronic structure of the surface layers and pure massive Cu, A1 and Ti as well.

Key words: ellipsometry, surface polariton, optical properties, surface layers, surface, electronic energy structure.