一種透明導電薄膜光學常數(shù)及厚度的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光電材料領(lǐng)域，具體設(shè)及一種透明導電薄膜光學常數(shù)及厚度的測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 透明導電薄膜是一種既能導電又在可見光范圍內(nèi)具有高透過率的薄膜，該類薄 膜包括金屬薄膜、半導體氧化物薄膜等，如在建筑節(jié)能鍛膜領(lǐng)域鍛制透明金屬銀膜達到低 福射效果，在透明光電子器件制造領(lǐng)域，ITO(錫滲雜=氧化銅）薄膜用于液晶顯示器件、 AZO(侶滲雜氧化鋒）用于薄膜太陽能電池的透明電極材料。透明導電薄膜材料的光學常數(shù) 是反應(yīng)材料光學性能的本質(zhì)參數(shù)，其中折射率n與材料對光的反射能力相關(guān)，消光系數(shù)k體 現(xiàn)了材料對光的吸收能力，相同厚度下材料消光系數(shù)越大，吸收的光能量越多，相應(yīng)的透過 率越低，而相同材料在消光系數(shù)確定，厚度越大，對光的吸收越多，但面電阻會降低，因此透 明導電薄膜的光性能與電性能相互制約，而實際應(yīng)用中希望透明導電薄膜達到可見光透過 率更高，同時面電阻更小，因此綜合分析薄膜光、電性能對于產(chǎn)品設(shè)計、工藝研究有重要意 義。透明導電薄膜材料光學常數(shù)的折射率及消光系數(shù)能夠間接體現(xiàn)材料的電阻率，厚度及 消光系數(shù)直接影響到薄膜可見光透過率，因此測量透明導電薄膜光學常數(shù)及厚度是進行產(chǎn) 品光、電性能設(shè)計的基礎(chǔ)。
[0003] 目前，現(xiàn)有技術(shù)中對薄膜光學常數(shù)的測量可W使用楠偏方法，但楠偏儀設(shè)備成本 較高，在使用上專業(yè)性也較強，數(shù)據(jù)分析時間長，而且楠偏方法是利用反射光信號進行分 析，反射光所包含的信息對膜層吸收性能不敏感，因此楠偏方法在分析具有微弱吸收的透 明導電薄膜的光學常數(shù)的消光系數(shù)存在局限性。另外，材料的電阻率由其載流子濃度和其 運動能力即遷移速率決定，對于金屬導體載流子是電子，半導體可W是電子或空穴，透明導 電薄膜的載流子濃度和遷移速率也是評價薄膜微觀電性能的重要指標，可W利用霍爾效應(yīng) 測試儀對其進行測試，但測試過程需要制備特殊尺寸樣品，并需要在薄膜表面連接電極，且 測試結(jié)果與樣品制備及電極連接效果有很大關(guān)系，因此不能滿足工廠連續(xù)、規(guī)模生產(chǎn)對產(chǎn) 品性能測試分析的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種透明導電薄膜光學常數(shù)及厚度的測量方法，其目的是減少儀器 操作及數(shù)據(jù)處理過程，快速準確的獲得結(jié)果。
[0005] 本發(fā)明實施例提供了一種透明導電薄膜光學常數(shù)及厚度的測量方法，包括W下步 驟：
[0006] (1)測量透明導電薄膜樣品的透射光譜及膜面反射光譜，得到實測透射光譜 Tc(A)和實巧U膜面反射光譜Rfc(入）；
[0007] (2)建立包含德魯?shù)谜褡雍吐鍌惼澱褡拥膹?fù)合振子模型，并對該復(fù)合振子模型的 參數(shù)及薄膜樣品的膜層厚度進行初始設(shè)置；
[000引 （3)W復(fù)合振子模型的參數(shù)及膜層厚度的初始設(shè)置為捜索起點，W實測透射光譜 Te(A)和實測膜面反射光譜Rf^A)為捜索依據(jù)，進行遺傳算法最佳值捜索，得到復(fù)合振子 模型參數(shù)的最佳值及膜層厚度的最佳值，該膜層厚度的最佳值即為所述透明導電薄膜樣品 的厚度；
[0009] (4)根據(jù)復(fù)合振子模型參數(shù)的最佳值利用復(fù)合振子模型生成最佳復(fù)合振子模型， 根據(jù)該最佳復(fù)合振子模型得到載流子濃度及遷移速率微觀電學性能；
[0010] (5)將最佳復(fù)合振子模型通過振子-介電常數(shù)轉(zhuǎn)換得到最佳介電常數(shù)；
[0011] (6)將最佳的介電常數(shù)通過介電常數(shù)-光學常數(shù)轉(zhuǎn)換得到最佳光學常數(shù)，即為所 述透明導電薄膜樣品的光學常數(shù)。
[001引作為優(yōu)選，所述實測透射光譜Te(A)和實測膜面反射光譜Rfc(A)為300~ 2500nm波長范圍內(nèi)的透射光譜及膜面反射光譜。
[0013] 作為優(yōu)選，所述遺傳算法最佳值捜索的步驟包括：
[0014] (1)根據(jù)復(fù)合振子模型的參數(shù)及膜層厚度的初始設(shè)置生成初始種群，該初始種群 中每個個體對應(yīng)一組復(fù)合振子模型的參數(shù)及一個膜層厚度；
[0015] (2)將種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的復(fù)合振子模型通過振子-介電常數(shù)轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的 種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的介電常數(shù)；
[0016] (3)將種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的介電常數(shù)通過介電常數(shù)-光學常數(shù)轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的 種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的光學常數(shù)；
[0017] (4)將種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的光學常數(shù)和相應(yīng)的膜層厚度通過導納矩陣光譜計算 方法，得到種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的模型透射光譜T,(A)及模型膜面反射光譜Rf,(A);
[001引 （5)將種群內(nèi)每個個體對應(yīng)的模型透射光譜Tj(A)和模型膜面反射光譜Rfj(入） 與實測透射光譜Te(A)和實測膜面反射光譜Rfc(A)通過評價函數(shù)進行比較，若滿足遺傳 終止條件，則終止遺傳過程，滿足遺傳終止條件的種群內(nèi)個體所對應(yīng)的一組復(fù)合振子模型 的參數(shù)及一個膜層厚度即為復(fù)合振子模型參數(shù)的最佳值及膜層厚度的最佳值，若不滿足遺 傳終止條件，則生成復(fù)合振子模型參數(shù)及膜層厚度的新種群，并重復(fù)步驟（2)至巧），直至 滿足遺傳終止條件，獲得復(fù)合振子模型參數(shù)的最佳值及膜層厚度的最佳值。
[0019] 作為優(yōu)選，所述復(fù)合振子模型是用函數(shù)的形式表示的介電常數(shù)隨波長的變化關(guān) 系，包括一個介電常數(shù)實部修正參數(shù)、一個極振子、一個德魯?shù)谜褡雍?個洛倫茲振子；所 述介電常數(shù)實部修正參數(shù)用于衡量在分析范圍內(nèi)介電常數(shù)實部的最小值；所述極振子用來 衡量由遠紫外光譜產(chǎn)生的能級躍遷吸收對介電常數(shù)實部的影響；所述德魯?shù)谜褡佑脕砗饬?由于自由電子在紅外光譜頻率范圍與入射的紅外光譜發(fā)生共振對介電常數(shù)的影響；所述 =個洛倫茲振子分別用來衡量由遠紫外光譜產(chǎn)生的能級躍遷吸收、近紫外-可見光譜區(qū)間 的能級躍遷吸收和結(jié)構(gòu)缺陷吸收、可見-近紅外光譜區(qū)間的結(jié)構(gòu)缺陷吸收對介電常數(shù)的影 響。
[0020] 作為優(yōu)選，所述復(fù)合振子模型的函數(shù)表達式為
[002。E (E) - ￡1(E) _i ￡2做-E eoffset+ ￡ pole (A。, E。, E) + ￡Drude(e，Ne, E) + ￡Lorentz ，Eni，Bri，E)+eLorentz En2, 6拍，E)+eLorentz(An3) En3) Br3) E)，
[0022] 該函數(shù)表達式表示介電常數(shù)e隨光子能量E的變化關(guān)系，光子能量E與波長A的換算關(guān)系為E(eV)二1240/A(nm);
[0023] 其中介電常數(shù)eW復(fù)數(shù)形式表示，eI為介電常數(shù)的實部，e2為介電常數(shù)的虛 部；eWffwt為介電常數(shù)實部修正參數(shù)；ep"k(A"，E。，巧為極振子，參數(shù)A。為該極振子振動 強度、參數(shù)E。為該極振子振動中屯、位置；ewN。，巧為德魯?shù)谜褡?，參?shù)N。為微觀性 能載流子濃度，ye為載流子的遷移速率；eLDteM, (A。。E。。Bri,巧、eLDteM, (A"2, 6。2,Br2,巧和 ￡^?！丁?,(4。3,6。3,8。，巧為；個洛倫茲振子，4。為振動強度，￡。為振動中屯、位置，6,為振動半 峰寬。
[0024] 作為優(yōu)選，所述進行初始設(shè)置的復(fù)合振子模型參數(shù)為14個，包括一個介電常數(shù)實 部修正參數(shù)eWffWt,兩個關(guān)于極振子的參數(shù)A"、E。，兩個關(guān)于德魯?shù)谜褡拥膮?shù)N。、y。，九個 關(guān)于S個洛倫茲振子的參數(shù)Aw、6。1、Bfi、A"2、E"2、B,2、A"3、E"3和Br3。
[0025] 作為優(yōu)選，所述振子-介電常數(shù)轉(zhuǎn)換包括W下步驟：
[0026] 將復(fù)合振子模型中德魯?shù)谜褡咏殡姵?shù)的實部、洛倫茲振子介電常數(shù)的實部、極 振子介電常數(shù)的實部W及介電常數(shù)實部修正參數(shù)加和得復(fù)合振子模型的介電常數(shù)實部；
[0027] 將復(fù)合振子模型中德魯?shù)谜褡咏殡姵?shù)的虛部和洛倫茲振子介電常數(shù)的虛部加 和得復(fù)合振子模型的介電常數(shù)虛部；
[002引復(fù)合振子模型的介電常數(shù)的實部和虛部即構(gòu)成復(fù)合振子模型的介電常數(shù)。
[0029] 作為優(yōu)選，所述初始種群和新種群中個體數(shù)為30-45個。
[0030] 作為優(yōu)選，所述評價函數(shù)為模型透射光譜Tj(A)和模型膜面反射光譜RfjU) 與實測透射光譜Te(A)和實測膜面反射光譜Rfc(A)之間的均方差MSE，其表達式為
所述遺傳終止條件為MSE小于IXlQ-3 或迭代次數(shù)為40次。
[0031] 作為優(yōu)選，所述遺傳過程由遺傳算法參數(shù)進行控制，遺傳算法參數(shù)包括種群大小、 迭代次數(shù)、精英數(shù)量和交叉比例，其中種群大小為30-40個，迭代次數(shù)為25-40次，精英數(shù)量 不小于3個且不大于種群大小的一半，交叉比例為0.2-0. 8。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0033] 1、本發(fā)明根據(jù)透明導電材料的特點，建立W德魯?shù)谜褡訛楹送?、、結(jié)合洛倫茲振子 的復(fù)合振子模型，利用德魯?shù)谜褡幽Ｐ头治鐾该鲗щ姳∧ぴ诩t外光譜區(qū)間所體現(xiàn)的光、電 性能，利用洛倫茲振子模型分析由于紫外-可見光譜范圍膜層微觀結(jié)構(gòu)缺陷、能帶躍遷產(chǎn) 生的光學特征，從而對實際生產(chǎn)的透明導電薄膜進行全光譜范圍的光、電性能分析；
[0034] 2、本發(fā)明同時利用透明導電薄膜的透射光譜和膜面反射光譜分析透明導電薄膜 的光、電性能，更能體現(xiàn)膜層本質(zhì)的光學特征，其中利用透射光譜可W很好的體現(xiàn)透明導電 薄膜的吸收性能，避免了楠偏測量方式在利用反射光時對吸收性能不敏感的問題，同時利 用膜面反射光譜避免了由于建筑浮法玻璃的吸收對結(jié)果分析的影響；
[0035] 3、本發(fā)明利用分光光度計測量透明導電薄膜的透射光譜及膜