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Ellipsometric Characterization on Multi-Layered Thin Film Systems during Hydrogenation 氫化過程在多層薄膜系統中的橢圓偏振技 術的特性分析 D. J. Santjojo, Tatsuhiko Aizawa and S. Muraishi Materials Transactions, Vol. 48, No. 6 (2007) pp. 1380 to 1386 #2007 The Japan Institute of Metals 班級：碩研奈米一甲 學號：MA41V101 報告者：紀盈卉 目錄 1.大鋼 7.心得 2.介紹 3.多層次的建模 3.1 橢圓偏振反應 3.2 介質分散功能 3.3 多層建模 4.實驗步驟 5.實驗結果與討論 5.1 在金屬釔模的橢圓偏振技術的特性分析 5.1.1 在金屬釔模的橢圓偏振技術的特性分析(步驟I) 5.1.2 在金屬釔模的橢圓偏振技術的特性分析(步驟Ⅱ) 5.2 在氫化釔模的橢圓偏振技術的特性分析 6.結論 1.大鋼 1.大鋼 • 橢圓偏振技術的特性分析在多層建模的基礎上提 出了描述光學和電學特性瞬態的氫化薄膜。 • 二步建模的發展使橢圓偏振技術的特性分析在釔 膜和將鈀封釔膜沉積在𝑆𝑖𝑂2 玻璃基板上。 • 在沉積𝑆𝑖𝑂2 基板前，𝑌2 𝑂3 薄膜是準備用來估計氧 化釔層的電介質反應的第一步驟。 2.介紹 2.介紹 • 自從第一個發現在釔加氫氫化金屬 - 絕緣體轉 變金屬上的交換反應一直是研究和開發的熱門問 題。 • 釔是一個研究氫化物的光學行為的材料。 • 釔在氫化過程中的光學性質變化對氫濃度有很強 的依賴性。 • 橢圓偏振技術的特性分析的方法可以顯示在光學 和多層薄膜系統的電性能，甚至在加氫反應上也 可行。 • 二步建模的多層模型對於氫化薄膜的微觀結構 1.氧化釔膜沉積在𝑆𝑖𝑂2 基板上 (確定釔的介電功能氧化物或𝑌2 𝑂3 層) 2.量測釔基多層的光學和電特性 • 鈀膜沉積在𝑆𝑖𝑂2 基板的製備(步驟1) (以表示氫化鈀或加氫反應在室溫期間PdHx形成 壓力) • 對於PdHx得到的電介質分散功能(步驟2) (對於在𝑆𝑖𝑂2 氫化釔膜建模基材上) 3.多層次建模 3.1 橢圓偏振反應 • 橢圓偏振反應函數𝜌： • 定義菲涅耳反射係數，𝑅𝑝 為偏振光光， 𝑅𝑠 為s偏 振光。 • tan(𝜓)是p方向對s方向的反射係數幅度的比率。 • Δ表示在p和s-反射係數之間的相位差。 • 這種變化在振幅和相位移是由材料反應導出的。 3.1 橢圓偏振反應 • 這種材料的反應為特徵參數的介電函數： • 真實部份𝜀(𝜔) • 虛實部份，𝜀1 是電位移D到電場E的比率；𝜀2 是D 和E之間的相位移。 • 𝜀1 和𝜀2 是和克拉莫-克若尼關係相關。 • 兩者的折射率n和消光係數k與上述介電函數相 關： 3.1 橢圓偏振反應 • 從上述等式中，n和k分別從𝜀1 和𝜀2 得到： • 其中，𝜆是波長。 3.2 介質分散功能 • 介電分散函數DF，強烈地依賴在電子能帶的結 構。 • 尤其是，𝜀2 在薄膜上無規律和粗糙度。 • 直接電子的能帶間過渡能量以及它們的振幅 和擴大參數是由通過DF設計相應的模型功能。 • 柯西、德汝德、勞侖茲、 Tauc-勞侖茲功能 函數，用於確定在過渡能量從橢偏測量數據 的布里元區。 3.3 多層建模 • 除了表面粗糙度，沉積在該薄膜基材經常受到中 各種干擾。 • 分散功能代表𝑌2 𝑂3 必須在為橢圓偏振的第一步內 置的釔沉積膜的測量。 • 本建模是基於一步一步的過程來定量調查氫 化在光學效果和鈀覆蓋的釔膜間的電性能。 • 用於階段性地測量色散的功能是必不可少的， 可靠評價氫化過程中對這些屬性進行更改。 • 𝑌2 𝑂3 為兩層模型基底 系統被構成為在步驟I的程序。 • 多層建模用來描述介 電反應的𝑌2 𝑂3 薄膜。 • 將四層模型建立在評 估的表面粗糙度作為 第一層，𝑌2 𝑂3 與Y一起 的混合物作為第二層 有金屬釔層和襯底作 為步驟-Ⅱ程序。 • 在步驟-I上的兩層模 型用於在確定的電介 質反應的變化加氫反 應，從襯底上的起始 Pd膜上生成氫鈀或 PdHx層。 • 步驟-Ⅱ的過程描述了 鈀封端的釔薄膜的氫 化過程。 • 鈀和Y的加氫作為以及 形成的複合材料用於Y， PdHx和𝑌2 𝑂3 被視為一 個分層系統。 4.實驗步驟 4.實驗步驟 1.樣品薄膜取自由沉積在室溫下裝置上的c-Si和 SiO2的玻璃基板上的離子束濺射系統。 2.基板進行以𝐻2 𝑁𝑂3 為600秒的蝕刻，然後再用乙 醇超聲波清洗。 3.立即裝入濺鍍設備。 4.在超高真空（UHV）室是用氬氣沖洗。 5.在沉積中，壓力在高壓室中保持不變。 6.通過檢測沉積和氫化膜相X射線衍射（XRD）法， 對多層組織結構薄膜由掃描電子顯微鏡（SEM）和 透射電子顯微鏡（TEM）進行觀察。 7.局部晶體結構的鑑定用電子色散（SAED）方法。 5.實驗結果與討論 5.1在金屬釔模的橢圓偏振技術 的特性分析 • 純釔膜的光學性質使用兩個步驟的多層模型。 (表1) • 本模型有考慮氧化物層以及表面粗糙度。(釔表 面容易很快被氧化) • 在步驟-I，𝑌2 𝑂3 膜沉積在玻璃襯底被表示為兩層 模型，用來描述該氧化物層的金屬釔膜的表面上， 或者在基片和釔膜之間的界面。 • 在步驟-Ⅱ，沉積在基底上的金屬釔膜是表示為 四層模型。 5.1.1在金屬釔模的橢圓偏振技 術的特性分析(步驟I) • 柯西色散功能適用於玻璃基底和氧化釔上。 • 測量n和k對於𝑆𝑖𝑂2 基板與在JA Woolam橢偏儀參 考數據庫作比較。 • 折射率在參考數據上相當吻合。 • 圖4，表示𝑌2 𝑂3 薄膜在波長的函數𝜆上的消光係數 k和折射率n的變化。 • 因為試樣膜是高度透明的，k幾乎為零且n為低於 𝑌2 𝑂3 的容積。(折射率為氧化釔膜，它強烈地依 賴於膜的微觀結構) 5.1.2在金屬釔模的橢圓偏振技 術的特性分析(步驟Ⅱ) • 圖5表示橢偏儀測量結果。 • 表3表示由四個層的純釔沉積在基板上。 • 表2表示𝑌2 𝑂3 的介電性。 5.2在氫化釔模的橢圓偏振技術 的特性分析 • 釔氫化的形成通過XRD和TEM檢測到氫化在環境壓 力下的Y /鈀結構薄膜和濕度。 • 圖9表示在基板上的氫化膜具有多層結構。 • 頂層是PdHx，氫化鈀。 • 主層由面心立方結構的YHx經過電子衍射的圖案。 • 表5列出了本多層模型的步驟-I和步驟-Ⅱ。 6.結論 6.結論 • 多層建模的開發是為了預測金屬釔膜的性能以及氫 化釔膜在鈀封頂的釔系統。 • 準確的參數中的每個分散體的功能估計層依賴於選 擇的函數形式適用於本建模。 • 金屬釔首先通過兩個步驟來描述其特性： 1.該建模𝑌2 𝑂3 的光學常數 2.系統預測所述金屬釔的特性基板(Y或𝑌2 𝑂3 層) • 這個多層建模成功調查氫化鈀的性能封頂釔系統。 7.心得 • 從這篇－氫化過程在多層薄膜系統中的橢圓偏振技術的特性分析的文 章中，我了解到橢圓偏振技術的特性分析在多層建模上的應用跟實驗 方式。 • 文章裡詳細介紹不同的橢圓偏振技術的特性分析的實驗過程及結果， 從這些特性的結果上可看出多層建模的開發是為了預測金屬釔膜的性 能以及氫化釔膜在鈀封頂的釔系統。 • 而本篇文章的最後是說明了，金屬釔是通過兩個步驟來描述其特性： (1)建模𝑌2 𝑂3 的光學常數，(2)系統預測所述金屬釔的特性基板(Y或 𝑌2 𝑂3 層)。 • 看完這篇文章，讓我基本了解了橢圓偏振技術的特性分析的應用，雖 然我自己的研究不是走這方面的，但可以多認識不同方面的研究文章， 也是個不錯的選擇。 Thank you for listening