調(diào)整光學方法用于納米級測量

關(guān)鍵字： 納米級測量 光學方法

在納米尺度范圍內(nèi)，一些我們熟悉的材料特性會改變。因此隨著向納米領(lǐng)域探索的深入，不僅要表征新材料，而且越來越需要對熟知的材料進行研究。

來自納米科學與工程學院的納米科學“帝國創(chuàng)新教授”（Empire Innovation Professor）Alain Diebold正在創(chuàng)建一個探索未來納米級測量需求的研究型實驗室。他正著眼于包含線性模式和非線性模式的多種新老光學技術(shù)。如Alain Diebold所述：“橢圓偏振法就是一種線性光學測量方法。你輸入某一波長，隨即看到該波長的輸出。”

橢圓偏振法檢測表面或光柵結(jié)構(gòu)的反射光中極化的變化。Diebold教授指出：“分析此變化可以獲得薄膜厚度的數(shù)據(jù)，或者橢圓偏振測量的數(shù)據(jù)可用于散射測量法；從而你可以了解光柵結(jié)構(gòu)CD的線型和結(jié)構(gòu)。”這些普遍用于半導體材料的測量方法對納米技術(shù)也同樣重要。

納米尺度對線性光學測量的影響很容易被理解。對于非常薄的單晶硅薄膜來講，其光學特性會因量子局限效應而改變；我們可以將這種特性轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)點。半導體材料也是如此；因此只需設(shè)計出某一單晶薄膜的工序即可。可用于單晶半導體薄膜測量的方法也可用于那些納米尺度的散射結(jié)構(gòu)。

盡管測量金屬薄膜比較困難，但仍有簡單的解決方案。“他們已經(jīng)著眼于非常薄的薄膜，并且已經(jīng)了解如何克服測量非常薄的、多晶金屬薄膜時遇到的難點。同樣，晶粒尺寸會影響金屬薄膜的介電特性，為了對金屬薄膜進行更好地光學測量，他們已了解了如何克服會遇到的難點。”Diebold教授說。

這些技術(shù)可以被移植，并且易于根據(jù)半導體測量進行調(diào)整。它們都將是新實驗室一個很重要的研究部分。美國托萊多大學（The University of Toledo）的Rob Collins教授研究了許多種材料，并且確定了如何利用晶粒尺寸對薄膜光學特性的影響，其方法與實驗數(shù)據(jù)非常吻合。

在非線性領(lǐng)域中，同樣的光強——波長——輸入會得到不同波長的輸出。為什么要超越線性測量呢？一個主要的原因是界面總是很難表征，并且二次諧波的產(chǎn)生（SHG）總會帶來這樣的問題。SHG的頻率與輸入光不同，而是輸入頻率的2倍，即2次諧波。

盡管SHG信號強度比輸入信號弱許多，但是在某種特定的實驗條件以及輸入輸出光的極化作用下，我們還是可以在界面獲得較高的靈敏度。相對于線性光學方法，由光學非線性二次諧波帶來的附加靈敏度是相當可觀的。

SHG應用的一個經(jīng)典例子是SiO2/Si界面特性的表征。德州大學（University of Texas）奧斯汀分校的Micheal Downer教授的小組將此方法拓展并應用到硅上的高k材料。同樣的概念對于所有納米級的樣品也適用。

納米級結(jié)構(gòu)也將是該新實驗室的一個研究領(lǐng)域。嵌入在SiO2中的硅納米點便是SHG測量方法在此領(lǐng)域的一個實例。納米點具有很大的表面積，會產(chǎn)生高強度的二次諧波信號，該信號可用于多種光學特性的表征。納米點已經(jīng)試驗性地用在未來的存儲器概念中；它們也正用于生產(chǎn)高效率，低能耗的商用固態(tài)照明器件。

該研究的主要目的是采用線性和非線性光學方法來探索材料中不同的納米尺寸效應。這些線性和非線性光學方法既可用于了解新材料的特性，也可用于確定這些特性如何用于材料特性的一致性測量，結(jié)構(gòu)特征的一致性測量以及最終生產(chǎn)中所有的納米級測量。