Тонкие диэлектрические пленки представляют собой слои слабо проводящего ток материала толщиной от нанометра до нескольких микрон и применяются во всех оптических устройствах — от специализированных, таких как спектрометры, до потребительских — камеры мобильных телефонов. Новая техника измерения оптической толщины таких покрытий позволит быстрее и тщательнее изучать свойства пленок, что усовершенствует процесс их изготовления.
Работа выполнена специалистами подведомственных Минобрнауки России Научно-технологического центра уникального приборостроения (НТЦ УП) РАН и Института ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН.
При изготовлении диэлектрических пленок необходимо контролировать их толщину, даже на атомарном уровне. Это позволяет управлять их оптическими свойствами (прозрачность, цвет, блеск). Измерять толщину и оптические константы (коэффициенты преломления и поглощения) даже очень тонких пленок (с толщиной менее 10 нм) помогает метод поверхностного плазмонного резонанса (ППР) — явления перехода энергии света из объемной электромагнитной волны в поверхностную на границе металла и диэлектрика (материала, слабо проводящего электрический ток).
«Обычно при поверхностном плазмонном резонансе применяется лазерное излучение. Для этого метода необходимо соблюсти определенные условия. Один из них — использование призмы с напылением тонкого слоя металла, так называемая схема Кречмана. При определенном для каждой длины волны угле падения света на основание призмы в отраженном свете мы наблюдаем провал в интенсивности, то есть, свет практически не отражается при резонансном угле падения и вся его энергия переходит в поверхностную волну. В таком случае измеренную зависимость от длины волны или угла называют резонансной кривой. Полученные резонансные кривые позволяют очень точно определять оптические свойства и толщину тонких металлических пленок и их покрытий», — рассказывает старший научный сотрудник НТЦ УП РАН Илдус Хасанов.
Московские и новосибирские ученые решили усовершенствовать этот существующий еще с 1980-х годов метод. Они использовали акустооптический перестраиваемый фильтр, производимый в НТЦ УП РАН — кристалл, который позволяет выделять из излучения широкополосного источника света, например, лампы или солнечного света, определенный цвет в изображении.
«Наш акустооптический кристалл отличается высокой степенью однородности и прозрачности, что позволяет использовать его для построения спектральных изображений. Это позволило использовать некогерентный (нелазерный, обыкновенный свет) источник света и проводить ППР измерения одновременно в спектральном и угловом режимах сканирования для получения монохроматического (определенного цвета) света, а также видеть изображения резонансных кривых. Таким образом, мы одновременно узнаем больше информации о тонкой пленке и можем подробнее изучать ее свойства», — поясняет Илдус Хасанов.
Эксперименты показали, что использование некогерентного монохроматического света создает меньший шум в резонансных кривых по сравнению с лазерным, что также позволяет повысить точность измерения пленок.
По словам авторов, предложенный метод даст возможность исследовать даже очень тонкие пленки, что поможет изготавливать более сложные многослойные покрытия и в перспективе производить пленки с лучшими свойствами.
Одним из результатов исследования стало также наблюдение разницы в спектрах ППР для незначительно отличающихся толщин покрытия. Это позволяет рассчитывать, что новая оптическая техника может быть использована для неразрушающего контроля при производстве тонких пленок.
Исследователи надеются, что данная работа расширит область применения акустооптических перестраиваемых фильтров, разрабатываемых в НТЦ УП РАН.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых, его результаты опубликованы в одном из международных научных изданий.