6. Оптический поляризационный метод исследования поверхности Введение

Для изучения поверхностей электродов в последние годы широко использовались оптические методы. Эллипсометрия - один из оптических методов, имеющий особую ценность при изучении поверхности электрода, на котором происходит образование новой фазы.

Для понимания таких процессов как анодная пассивация, ингибирование, растворение металлов, коррозия, ингибирование анодного окисления водорода и органического топлива, существенно знать свойства пассивирующей пленки, механизм ее образования. Одно из преимуществ эллипсометрии состоит в том, что этот оптический метод применим к изучению гладких металлических электродов непосредственно в электрохимической ячейке. В ряде случаев удается получить информацию о толщине оксидной пленки, диэлектрических свойствах, высокочастотной проводимости, что позволяет выяснить роль изменений электрических и физических свойств защитных или пассивирующих пленок. Эллипсометрия дает возможность измерения специфической адсорбции ионов в двойном слое.

Основы метода

В основе оптического поляризационного метода исследования состояния поверхности лежит тот факт, что состояние поляризации линейно поляризованной монохроматической световой волны изменяется при отражении от границы раздела двух сред. Изменение состояния поляризации зависит от оптических характеристик и толщины этого слоя. Для того чтобы получить информацию о состоянии границы раздела двух сред, необходимо провести измерение параметров эллиптической поляризации отраженной световой волны. В связи с этим оптический поляризационный метод исследования состояния поверхности часто называют эллипсометрией.

Рассмотрим теоретические основы метода. Пусть Х-Z - плоскость падения поляризованных волн, а Е - некоторый вектор электрического поля. Тогда компоненты вектора Е вдоль координатных осей X,Y можно записать так

Волны одной и той же частоты, но разной амплитуды могут быть записаны как

Причем для линейно поляризованного света

где: - частота, А и В - амплитуда, - время, - угол сдвига фаз.

Введем обозначения двух величин .

где - разность фаз между X и У компонентами вектора электрического поля; - эллиптичность, выражается через отношение амплитуд этих векторов.

Основное уравнение эллипсометрии записывается в виде:

где индекс р - для электрического вектора, параллельного плоскости падения, s - для электрического вектора, перпендикулярного плоскости падения, сокращение "пад" относится к падающим лучам, "отр" - к отраженным лучам.

Если - есть коэффициент отражения, тогда уравнение можно записать так:

где

Аналогичные величины характеризуют свойства падающей волны. В экспериментах падающий свет обычно является плоско-поляризованным, тогда . Величины определяются экспериментально с помощью эллипсометра. На основании уравнения эллипсометрии можно рассчитать толщину пленки и показатель преломления. Для известных значений показателей преломления пленки n₁ и среды n₂ и заданных значений толщины пленки d (толщина пленки достаточно велика) составлены таблицы величин . Рассмотрим в качестве примера зависимость (рис. 26).

Рис.26 График зависимости в среде с показателем преломления 1,359. Числами указана толщина пленки в нм

Для расчета величин составлены программы для различных d и n. Расчет производится, как правило, на ЭВМ.

Экспериментальная техника для эллипсометрических измерений

Рис.27. Принципиальная схема эллипсометра

Принципиальная схема установки для определения поляризационных углов отраженного света приведена на рис. 27. В трубке поляризатора I находятся: поляризатор (6), диафрагма (3,5), объектив (4), входная щель (2). Диафрагма (5) постоянная и служит для ограничения рабочего участка поляризатора, задавая максимальный диаметр параллельного пучка света, падающего на образец. Переменная диафрагма (3) позволяет регулировать диаметр этого пучка. В трубе анализатора (II) размещаются компенсатор (8), анализатор (9) и приемник излучения (10).

Осветитель со светофильтром (1) находится перед входной щелью. Схематически работу прибора можно описать так: свет, прежде чем попасть на образец (7), проходит коллимационную линзу и поляризатор, т.е. на образец попадает параллельный пучок линейно поляризованного света. Поворачивая поляризатор (6), можно менять угол , характеризующий линейную поляризацию падающего света ( ).

Отраженный свет в общем случае имеет эллиптическую поляризацию, которая характеризуется углами , входящими в основное уравнение эллипсометрии (12). Компенсатор (8), поставленный на пути отраженного света, превращает его в линейно поляризованный. Момент установления линейной поляризации у вторичного (прошедшего через компенсатор) отраженного света фиксируется с помощью анализатора (9). Углы поворота поляризационных призм и компенсатора отсчитывают от нулевой плоскости поляризации (Р_а) Нулевой плоскостью поляризации считается плоскость, которая содержит только Р-компоненту падающего света, т.е. она совпадает с плоскостью падения. Положение Р₀ определяется при настройке прибора перед началом эксперимента.

Экспериментальное определение поляризационных углов

Для нахождения величин можно пользоваться формулами:

где и - углы между электрическим вектором падающего линейно поляризованного света и плоскостью падения при , - разность фаз вносимая компенсатором, - угол между электрическим вектором вторичной отраженной волны и одним из главных направлений компенсатора.

Величины определяются экспериментально с помощью прибора. Точность эллипсометрических измерений зависит в основном от точности определения положений гашения поляризатора и анализатора. При измерении толщины тонкой прозрачной пленки(10-15 нм) с известным показателем преломления на подложке с определенными параметрами абсолютная ошибка составляет 0,007 нм.