Техника измерений спектральных и материальных параметров тонких пленок жиг

В настоящее время наблюдается интерес к исследованиям оптических свойств материалов на основе железо-иттриевого граната Y3Fe5O12 (ЖИГ), которые могут использоваться не только для создания пассивных и активных интегрально-оптических устройств - поляризационных фильтров, модуляторов, магнитооптических систем памяти и т.д. [1,2], но и служить основой для композитных наноструктур нового типа [3] . Исходя из этого, остро стоит вопрос о способах и методах исследований спектральных и магнитооптических характеристик данных сред.

Данная статья посвящена развитию методики измерений спектральных характеристик на модернизированном экспериментальном аппаратно-измерительном комплексе (АИК) на основе монохроматора МДР-23У, а также разработке техники измерений параметров тонких плёнок ЖИГ.

Принцип работы АИК показан на рис. 1. Белый свет от волоконно-оптического осветителя ОВС-1 падает на входную щель монохроматора (S = 1 мм), затем монохроматический пучок проходит через образец и фокусируется линзой на светочувствительной площадке фотоэлемента ФД-24К. Далее электронный сигнал с фотодиода поступает на цифровой вольтметр В7 16А. После выхода с канала общего пользования (КОП) вольтметра сигнал проходит через плату сопряжения и поступает на LPT-–порт компьютера, где с помощью специально написанной на языке Pascal программы отображается на мониторе с точностью до третьего знака после запятой.

Измерения проводились в полуавтоматичес-

ком режиме с последующей обработкой результатов и построением спектральных характеристик образцов. Сначала измерялся спектр без образца (оптического канала с воздухом), затем спектры образцов в тех же самых условиях. Влияние окружающего света снижалось до минимума непрозрачным кожухом.

В качестве объектов исследования были выбраны эпитаксиальные плёнки монокристаллического железо–иттриевого граната Y₃Fe₅O₁₂ (вставка на рис. 2.) разной толщины на ГГГ–под-ложке (Gd₃Ga₅O₁₂) с известным показателем преломления (n = 1,97 ± 0,01 при Л = 0,633 мкм).

Был использован сравнительный метод, в котором значения коэффициентов пропускания и оптической плотности рассчитывались по формулам:

D = log1o(Ц-), P = U100%,

U U 0

где U ₀ и U – значения напряжений, соответствующие пустому оптическому каналу и каналу с образцом.

На рис. 2 и 3 представлены спектры оптической плотности и спектры пропускания для первого, второго и третьего образцов тонких плёнок ЖИГ различной толщины в диапазоне 400 – 1000 нм, полученные с помощью АИК (рис. 2 а и 3 а ), а также спектры тех же самых образцов, измеренных на фотометре КФК-3 (рис. 2 б и 3 б ) в диапазоне длин волн 400 – 1000 нм. Осциллирующий характер спектральных зависимостей коэффициента пропускания и оптической плотности свидетельствует о наличии явления интерференции во всех трех тонкоплёночных образцах ЖИГ. Особенностью обоих рисунков является то, что осциллирующий характер спектральных кривых 3-го образца менее выражен, что может быть объяснено меньшей толщиной плёнки ЖИГ на этом образце.

Рис. 1. Блок-схема измерительной установки для исследования спектров пропускания образцов

Рис. 2. Спектры оптической плотности, полученные с помощью монохроматора МДР 23У (а) и спектрофотометра КФК-3 (б) для трёх образцов (вставка на рис. а)

Значения оптической плотности, полученные на КФК 3 (рис. 2 б ), выше снятых на установке с МДР-23У (рис. 2 а ) в среднем на 0,4 Б. Это быть связано с неточной калибровкой сигнала измерительной установки с МДР-23У, различными по мощности и спектрам излучения источниками света, используемыми в установке с МДР 23У и в КФК 3, а также ненадёжной фиксацией положения образцов относительно падающего пучка света.

Как видно из рис. 3, значения коэффициентов пропускания, полученные с помощью МДР 23У (рис. 3 а ), в среднем на 20% выше значений, полученных с помощью КФК-3, а для образца №3 отличие достигает 25%, что можно объяснить указанными выше причинами. Наибольшее сближение спектров пропускания и оптической плотности, снятых на разных установках, наблю-

Рис. 3. Спектры коэффициента пропускания, полученные с помощью монохроматора МДР 23У (а) и спектрофотометра КФК-3 (б) для трёх образцов (вставка на рис.а)

дается для 1-го и 2-го образцов в диапазонах 945 – 990 нм и 490 – 510 нм (рис. 3 а , б ). Оценка толщин образцов с помощью интерференционного метода регистрации интенсивности от длины волны [4] по спектрам на рис. 3 не дало адекватного результата, поскольку сам метод пригоден лишь для вычисления толщины тонких плёнок более 1 мкм.

В частности поэтому мы проводили измерения толщин пленок образцов на микроинтерферометре МИИ-4, работающем на принципе двулучевой интерференции и использовании отраженного света (рис. 4), и позволяющему находить величины шероховатости пленки в диапазоне 0,1-0,8 мкм. Для исследуемых образцов были получены значения толщин h, приведённые в табл. 1. Погрешность измерения толщин составила + 0,004 мкм.

Для измерения показателей преломления образцов использовалась метод угла Брюстера, для чего на базе гониометра Г-5 была собрана экспериментальная установка, показанная на рис. 5.

Лазерный пучок с длиной волны ^ =0,550 мкм, проходя через призму Николя, раздваивается на обыкновенный (отклонившийся) с ТЕ– поляризацией и необыкновенный (прошедший прямо) с ТМ–поляризацией. Затем пучок с ТМ– поляризацией отражается от поверхности образца и попадает на фотоприёмник. При угле падения на образец, равном углу Брюстера О в , от-

Таблица 1. Измеренные толщины пленок ЖИГ

№ образца	1	2	3
h, мкм	0,387	0,338	0,175

Рис. 4. Фотографии исследуемых образцов снятые с помощью МИИ-4 (а, в и д – структура на границе «пленка-подложка» образцов №1, 2 и 3 соответственно, б, г и е – наблюдаемая интерференционная картина)

Рис. 5. Установка для измерения угла Брюстера

Рис. 6. Доменная структура тонкой плёнки ЖИГ в отсутствие внешнего магнитного поля

ражённый пучок испытывает сильное затухание, т.к. исчезает ТМ–поляризация. По формуле

n = tg@B

были вычислены показатели преломления для 1-го и 2-го образца (n1 = n2 = 2,475 0,100). Высокая погрешность вызвана неточностью самого метода, т.к. затухание отражённого пучка проявляется не резко, а постепенно и в определённом диапазоне углов. Поэтому точно определить угол Брюстера таким методом не представляется возможным, а значение тангенса угла при углах > 60 градусов меняется очень резко, что также вносит свой вклад в конечную погрешность.

В каждом образце с помощью поляризационного микроскопа Jenapol фирмы “Carl Zeiss” наблюдалась лабиринтарная доменная структура. В качестве примера на рис. 6 приведена фотография доменной структуры плёнки ЖИГ.

Отработанные методики и созданные аппаратно-программные средства позволяют проводить исследования спектров пропускания тонкопленочных образцов, в частности, пленок ЖИГ, в видимой и ближней инфракрасной области спектра вплоть до 1000 нм, а также изучать поверхностную структуру пленок и ее материальные параметры. Предполагается развивать описанную технику исследований для изучения магнитооптических параметров многослойных композитных наноструктур, содержащих, в частности, феррит-гранаты и полупроводниковые слои.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., мероприятие 1.2.1, заявки 14.B37.21.0772 и 14.B37.21.1081.