光学薄膜的折射率直接决定其与光的相互作用效果降低折射率可抑制菲涅尔反射提升器件效率而提高折射率对比度则有助于构建光子晶体。传统上将空气引入材料形成多孔结构是降低折射率的主要途径但两类现有技术各有短板蛾眼状表面结构虽能实现折射率低于1.1却因开放式拓扑导致机械强度差、环境稳定性不足多孔陶瓷类材料虽有刚性骨架支撑但孔结构调控精度有限难以实现折射率的宽范围连续可调。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。本研究提出基于二次化学刻蚀的制备策略先以磁控共溅射制备Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜经一次过氧化氢刻蚀去除金属相形成纳米空气柱阵列-SiO₂结构再引入氢氧化钠溶液进行二次刻蚀通过扩孔增大孔隙率从而在保持骨架完整的前提下将各向同性折射率降至1.2以下。该方法实现了寻常折射率1.367~1.159、异常折射率1.392~1.191的连续可调且工艺重复性良好为超低折射率材料在减反射涂层与光子器件中的应用提供了可行路径。实验方法从Ag纳米线复合薄膜到一次刻蚀后空气柱阵列的过程薄膜制备 采用多靶磁控共溅射系统在石英和硅衬底上沉积Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜。沉积参数为Ag靶射频功率12~16 WSiO₂靶射频功率85 W衬底偏压35 W溅射气压0.2 Pa溅射时间80~200 min基板转速15 r/min。衬底依次经丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15 min并用氮气吹干后送入沉积室。一次刻蚀 将制备好的复合薄膜置于质量分数3%的过氧化氢溶液中室温刻蚀1 h去除Ag金属相得到纳米空气柱阵列-SiO₂复合薄膜。刻蚀后依次用去离子水和乙醇清洗氮气吹干。二次刻蚀扩孔流程二次刻蚀 配制0.010、0.025、0.050、0.075和0.100 mol/L的NaOH溶液。将一次刻蚀后的样品分别放入30 mL不同浓度的刻蚀液中室温静置刻蚀15~75 min不等。取出后同样用去离子水和乙醇清洗、氮气吹干获得不同孔隙率的最终样品。表征手段 使用光谱型椭偏仪在300~1700 nm范围内测量椭偏参数Ψ和Δ基于各向异性有效介质理论模型拟合得到孔隙率和各向异性折射率。采用扫描电子显微镜观察表面和截面形貌透射电子显微镜用于截面微观结构分析X射线衍射仪鉴定物相原子力显微镜评价表面粗糙度。刻蚀前后的结构与物相光密度曲线与XRD衍射图谱椭偏仪测得的透过率曲线显示Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜具有显著的光学各向异性随入射偏振光角度增加除370 nm附近的横向共振峰T模外在460 nm附近出现纵向共振峰L模且峰强度随角度增大而增强。这一现象源于银纳米线阵列的结构各向异性不同偏振方向下表面等离子体共振模式的差异。XRD结果表明刻蚀前样品在38.1°、44.3°和64.4°处存在Ag的111、200和220衍射峰刻蚀后这些峰完全消失Ag被彻底去除。样品光学照片也证实了这一点刻蚀前呈暗黄色刻蚀后变透明。刻蚀前后的SEM表面与TEM截面形貌SEM和TEM观察显示银纳米线垂直于衬底生长、均匀分布于SiO₂基体中呈周期性排列。刻蚀后纳米空气柱的直径约为3~4 nm阵列的周期性结构保持完整未发生明显破坏。一次刻蚀后的光学性能不同Ag溅射功率下的光密度曲线及一次刻蚀后的折射率通过改变Ag靶溅射功率11~15 W可以调控Ag纳米线的体积分数与成线质量。随溅射功率增加L模共振峰增强并发生蓝移与T模峰逐渐靠近。当功率达到15 W时两个峰合并薄膜由各向异性转为各向同性这表明过高的Ag溅射功率不利于一维各向异性结构的保持。将11、12和14 W功率下制备的样品经一次刻蚀后利用椭偏仪测量55°、65°和75°入射角下的Ψ和Δ值再通过EMA模型拟合得到孔隙率分别为18.6%、21.0%和26.4%。EMA模型中引入了与纳米柱形状相关的去极化因子γ对不同方向赋予不同数值以更准确地描述多孔介质的光学常数。拟合时对孔隙率进行了唯一性分析确认MSE曲线呈V型且全局最小值唯一同时拟合结果与实测数据在全光谱范围内吻合良好验证了拟合的可靠性。孔隙率最高的样品26.4%其平均寻常折射率为1.335平均异常折射率为1.364。这说明仅靠一次刻蚀所能达到的折射率下限仍然偏高需要进一步增大孔隙率。二次刻蚀对孔隙率和折射率的调控孔隙率随二次刻蚀浓度与时间的变化关系二次刻蚀的实质是利用NaOH溶液对SiO₂骨架的缓慢腐蚀来扩大空气柱直径。实验中分别使用不同浓度的NaOH溶液对初始孔隙率约19%的样品进行二次刻蚀。浓度越低达到相同孔隙率所需时间越长0.010 mol/L条件下达到60%孔隙率需75 min0.100 mol/L条件下仅需30 min。在0.075 mol/L浓度下孔隙率随刻蚀时间近似线性增加表明通过控制时间可连续调节孔隙率。SEM截面图像证实空气柱直径从初始的3~4 nm扩大到6~7 nm。刻蚀对薄膜厚度的影响很小孔隙率达62.4%时厚度仅减少约4%。各向异性折射率、寻常/异常/各向同性折射率随孔隙率的变化不同孔隙率样品的折射率测量结果显示随二次刻蚀时间延长、孔隙率增大寻常和异常折射率均持续下降。当孔隙率达到62.4%时平均寻常折射率降至1.159异常折射率降至1.191各向同性折射率按 nⁱˢᵒ √([2(nˣʸ)² (nᶻ)²]/3) 计算也低于1.2。对比孔隙率相近、厚度不同的样品折射率未随厚度发生明显变化说明光学性能主要取决于孔隙率而非宏观厚度。表面形貌与工艺重复性不同浓度二次刻蚀后的SEM表面形貌不同浓度二次刻蚀后的AFM粗糙度SEM观察表明随着二次刻蚀液浓度升高样品表面三维孔洞结构愈加明显空气柱直径增大。0.100 mol/L条件下反应较快对表面粗糙度的影响相对明显。AFM测试显示0.075 mol/L条件下刻蚀后的样品表面粗糙度与硅衬底基本相当0.100 mol/L条件下虽有增加但仍在可接受范围内。工艺重复性验证为验证工艺重复性在0.100 mol/L NaOH溶液中刻蚀30 min的条件下处理了6个初始孔隙率约18%的样品。6个样品最终孔隙率均在60%左右平均寻常折射率均低于1.2各向同性折射率也均低于1.2折射率误差小于0.035。表明该调控方法具备良好的稳定性和可重复性。本文通过对Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜进行一次化学刻蚀去除金属相获得了纳米空气柱阵列-SiO₂复合超材料薄膜。在此基础上引入二次NaOH刻蚀工艺通过扩孔进一步提高孔隙率实现了折射率的宽范围连续调控寻常折射率1.367~1.159异常折射率1.392~1.191。当孔隙率接近60%时各向同性折射率可降至1.2以下。该工艺重复性好、结构稳定性高为超低折射率材料的制备提供了一条可行路径在减反射涂层、高透光显示和集成光子器件等领域具有应用前景。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数如厚度和物理参数如折射率n、消光系数k先进的旋转补偿器测量技术无测量死角问题。粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量先进的光能量增强技术高信噪比的探测技术。秒级的全光谱测量速度全光谱测量典型5-10秒。原子层量级的检测灵敏度测量精度可达0.05nm。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器Flexfilm全流程薄膜测量技术助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。原文参考《纳米空气柱阵列-SiO2复合超材料的制备和折射率调控》
光谱椭偏仪应用｜超低折射率纳米空气柱阵列-SiO₂复合超材料
光学薄膜的折射率直接决定其与光的相互作用效果降低折射率可抑制菲涅尔反射提升器件效率而提高折射率对比度则有助于构建光子晶体。传统上将空气引入材料形成多孔结构是降低折射率的主要途径但两类现有技术各有短板蛾眼状表面结构虽能实现折射率低于1.1却因开放式拓扑导致机械强度差、环境稳定性不足多孔陶瓷类材料虽有刚性骨架支撑但孔结构调控精度有限难以实现折射率的宽范围连续可调。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。本研究提出基于二次化学刻蚀的制备策略先以磁控共溅射制备Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜经一次过氧化氢刻蚀去除金属相形成纳米空气柱阵列-SiO₂结构再引入氢氧化钠溶液进行二次刻蚀通过扩孔增大孔隙率从而在保持骨架完整的前提下将各向同性折射率降至1.2以下。该方法实现了寻常折射率1.367~1.159、异常折射率1.392~1.191的连续可调且工艺重复性良好为超低折射率材料在减反射涂层与光子器件中的应用提供了可行路径。实验方法从Ag纳米线复合薄膜到一次刻蚀后空气柱阵列的过程薄膜制备 采用多靶磁控共溅射系统在石英和硅衬底上沉积Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜。沉积参数为Ag靶射频功率12~16 WSiO₂靶射频功率85 W衬底偏压35 W溅射气压0.2 Pa溅射时间80~200 min基板转速15 r/min。衬底依次经丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15 min并用氮气吹干后送入沉积室。一次刻蚀 将制备好的复合薄膜置于质量分数3%的过氧化氢溶液中室温刻蚀1 h去除Ag金属相得到纳米空气柱阵列-SiO₂复合薄膜。刻蚀后依次用去离子水和乙醇清洗氮气吹干。二次刻蚀扩孔流程二次刻蚀 配制0.010、0.025、0.050、0.075和0.100 mol/L的NaOH溶液。将一次刻蚀后的样品分别放入30 mL不同浓度的刻蚀液中室温静置刻蚀15~75 min不等。取出后同样用去离子水和乙醇清洗、氮气吹干获得不同孔隙率的最终样品。表征手段 使用光谱型椭偏仪在300~1700 nm范围内测量椭偏参数Ψ和Δ基于各向异性有效介质理论模型拟合得到孔隙率和各向异性折射率。采用扫描电子显微镜观察表面和截面形貌透射电子显微镜用于截面微观结构分析X射线衍射仪鉴定物相原子力显微镜评价表面粗糙度。刻蚀前后的结构与物相光密度曲线与XRD衍射图谱椭偏仪测得的透过率曲线显示Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜具有显著的光学各向异性随入射偏振光角度增加除370 nm附近的横向共振峰T模外在460 nm附近出现纵向共振峰L模且峰强度随角度增大而增强。这一现象源于银纳米线阵列的结构各向异性不同偏振方向下表面等离子体共振模式的差异。XRD结果表明刻蚀前样品在38.1°、44.3°和64.4°处存在Ag的111、200和220衍射峰刻蚀后这些峰完全消失Ag被彻底去除。样品光学照片也证实了这一点刻蚀前呈暗黄色刻蚀后变透明。刻蚀前后的SEM表面与TEM截面形貌SEM和TEM观察显示银纳米线垂直于衬底生长、均匀分布于SiO₂基体中呈周期性排列。刻蚀后纳米空气柱的直径约为3~4 nm阵列的周期性结构保持完整未发生明显破坏。一次刻蚀后的光学性能不同Ag溅射功率下的光密度曲线及一次刻蚀后的折射率通过改变Ag靶溅射功率11~15 W可以调控Ag纳米线的体积分数与成线质量。随溅射功率增加L模共振峰增强并发生蓝移与T模峰逐渐靠近。当功率达到15 W时两个峰合并薄膜由各向异性转为各向同性这表明过高的Ag溅射功率不利于一维各向异性结构的保持。将11、12和14 W功率下制备的样品经一次刻蚀后利用椭偏仪测量55°、65°和75°入射角下的Ψ和Δ值再通过EMA模型拟合得到孔隙率分别为18.6%、21.0%和26.4%。EMA模型中引入了与纳米柱形状相关的去极化因子γ对不同方向赋予不同数值以更准确地描述多孔介质的光学常数。拟合时对孔隙率进行了唯一性分析确认MSE曲线呈V型且全局最小值唯一同时拟合结果与实测数据在全光谱范围内吻合良好验证了拟合的可靠性。孔隙率最高的样品26.4%其平均寻常折射率为1.335平均异常折射率为1.364。这说明仅靠一次刻蚀所能达到的折射率下限仍然偏高需要进一步增大孔隙率。二次刻蚀对孔隙率和折射率的调控孔隙率随二次刻蚀浓度与时间的变化关系二次刻蚀的实质是利用NaOH溶液对SiO₂骨架的缓慢腐蚀来扩大空气柱直径。实验中分别使用不同浓度的NaOH溶液对初始孔隙率约19%的样品进行二次刻蚀。浓度越低达到相同孔隙率所需时间越长0.010 mol/L条件下达到60%孔隙率需75 min0.100 mol/L条件下仅需30 min。在0.075 mol/L浓度下孔隙率随刻蚀时间近似线性增加表明通过控制时间可连续调节孔隙率。SEM截面图像证实空气柱直径从初始的3~4 nm扩大到6~7 nm。刻蚀对薄膜厚度的影响很小孔隙率达62.4%时厚度仅减少约4%。各向异性折射率、寻常/异常/各向同性折射率随孔隙率的变化不同孔隙率样品的折射率测量结果显示随二次刻蚀时间延长、孔隙率增大寻常和异常折射率均持续下降。当孔隙率达到62.4%时平均寻常折射率降至1.159异常折射率降至1.191各向同性折射率按 nⁱˢᵒ √([2(nˣʸ)² (nᶻ)²]/3) 计算也低于1.2。对比孔隙率相近、厚度不同的样品折射率未随厚度发生明显变化说明光学性能主要取决于孔隙率而非宏观厚度。表面形貌与工艺重复性不同浓度二次刻蚀后的SEM表面形貌不同浓度二次刻蚀后的AFM粗糙度SEM观察表明随着二次刻蚀液浓度升高样品表面三维孔洞结构愈加明显空气柱直径增大。0.100 mol/L条件下反应较快对表面粗糙度的影响相对明显。AFM测试显示0.075 mol/L条件下刻蚀后的样品表面粗糙度与硅衬底基本相当0.100 mol/L条件下虽有增加但仍在可接受范围内。工艺重复性验证为验证工艺重复性在0.100 mol/L NaOH溶液中刻蚀30 min的条件下处理了6个初始孔隙率约18%的样品。6个样品最终孔隙率均在60%左右平均寻常折射率均低于1.2各向同性折射率也均低于1.2折射率误差小于0.035。表明该调控方法具备良好的稳定性和可重复性。本文通过对Ag纳米线阵列-SiO₂复合薄膜进行一次化学刻蚀去除金属相获得了纳米空气柱阵列-SiO₂复合超材料薄膜。在此基础上引入二次NaOH刻蚀工艺通过扩孔进一步提高孔隙率实现了折射率的宽范围连续调控寻常折射率1.367~1.159异常折射率1.392~1.191。当孔隙率接近60%时各向同性折射率可降至1.2以下。该工艺重复性好、结构稳定性高为超低折射率材料的制备提供了一条可行路径在减反射涂层、高透光显示和集成光子器件等领域具有应用前景。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数如厚度和物理参数如折射率n、消光系数k先进的旋转补偿器测量技术无测量死角问题。粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量先进的光能量增强技术高信噪比的探测技术。秒级的全光谱测量速度全光谱测量典型5-10秒。原子层量级的检测灵敏度测量精度可达0.05nm。费曼仪器Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器Flexfilm全流程薄膜测量技术助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。原文参考《纳米空气柱阵列-SiO2复合超材料的制备和折射率调控》
