Nuevo método para la caracterización óptica de películas delgadas

Autores/as

DOI:

https://doi.org/10.15536/reducarmais.8.2024.4023

Palabras clave:

Películas delgadas, Índice de refracción, Transmisión óptica, Coeficiente de extinción, Método del envelope

Resumen

La caracterización óptica de materiales es fundamental tanto para la investigación básica como aplicada. Nuevas metodologías de análisis, más prácticas o con mayor precisión y/o amplitud de utilización, son de gran importancia para el área. Este artículo presenta un nuevo método que permite obtener el espesor y propiedades ópticas en toda la gama UV-Vis de películas delgadas. A diferencia de los métodos actuales basados en el método del envelope de Manifacier, este se basa en la ecuación exacta para la transmitancia de películas sobre sustrato finito. Se analizaron espectros de transmitancia generados teóricamente y obtenidos experimentalmente para películas de AlN y TiOxNy depositadas por sputtering. Los resultados se compararon con los del método del envelope y/o elipsometría. En los casos aplicables, los resultados fueron similares, pero los avances de este nuevo enfoque son claros, permitiendo: (i) análisis óptico de películas sin límite mínimo de espesor, (ii) caracterización óptica en la región de alta absorción del espectro, y (iii) modelos para películas no homogéneas con nanopartículas dispersas. El método propuesto es más versátil y aplicable que el método del envelope.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Biografía del autor/a

Rafael Cardim Pazim, Instituto Federal Catarinense - IFC

Licenciado em Física pela Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT, 2008) e Mestre em Física pela mesma instituição (2011). Atualmente é professor EBTT no Instituto Federal Catarinense (IFC), Concórdia/SC – Brasil. Tem experiência na área de Física do Estado Sólido, atuando principalmente nos seguintes temas: XRD, EDX, caracterização óptica de filmes finos, programação em Fortran, automação para o Ensino de Física utilizando Arduino. Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática pela Universidade de Passo Fundo (UPF).

Rogério Junqueira Prado, Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT

Bacharel em Física pela Universidade Federal de Goiás (1994), Mestre (1997) e Doutor em Física (2001) pela Universidade de São Paulo, com estágio sanduíche no Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique (LURE, França). Realizou estágio pós-doutoral também no LURE (2002-2003). Atualmente é professor adjunto no Instituto de Física da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Cuiabá/MT – Brasil. Tem experiência na área de Física, com ênfase em radiação síncrotron, espectroscopia, caracterização de materiais e em deposição e caracterização de filmes finos, atuando principalmente nas seguintes técnicas e temas: EXAFS, XANES, FTIR, SAXS, carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC), filmes finos e deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD). Nos últimos anos, tem expandido sua atuação aos campos de síntese e caracterização de materiais nanoestruturados e caracterização de materiais de interesse geológico (geociências), utilizando também as técnicas de EDX e XRD. Atualmente, está instalando no IF/UFMT um sistema de deposição por PED (Pulsed Electron Deposition), para desenvolver localmente pesquisas na área de filmes finos. Orienta nos programas de pós-graduação em Física (M) / UFMT, Ensino de Física (M) - SBF / UFMT, Geociências (M) / UFMT e Biodiversidade e Biotecnologia (D) / Rede Pró-Centro-Oeste.

Citas

ANDREANI, Lucio Claudio; LISCIDINI, Marco; GERACE, Dario; FRANCO, Davide; BRAMBILLA, Giovanni; CUMMING, David R. S. Direct evidence of light confinement and emission enhancement in active silicon-on-insulator slot waveguides. Applied Physics Letters, v. 89, 2006.

BARMAN, Prasanta B.; SHARMA, Ishu; TRIPATHI, Shailendra K. Effect of Bi addition on the optical behavior of a-Ge-Se-In-Bi thin films. Applied Surface Science, v. 255, p. 2791-2795, 2008.

BILYJ, Jurij M.; KOSOBUTSKYY, Petro S.; KUSHNIR, Oleg P. Demonstration of optical beating in the reflectance and transmittance spectra of multilayer structures. Ukrainian Journal of Physical Optics, v. 12, p. 89-100, 2011.

BONELLI, Thiago Scremin. Produção e Caracterização Estrutural de Filmes Finos Nanoestruturados de TiOxNy e Células Solares (DSSCs) de Nanotubos de TiO2. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Mato Grosso, 2013.

CHENG, I-Chun; GLESKOVA, Helena; WAGNER, Sigurd; WU, Meng. Silicon for thin-film transistors. Thin Solid Films, v. 430, p. 15-19, 2003.

CISNEROS, Jorge I. Optical characterization of dielectric and semiconductor thin films by use of transmission data. Applied Optics, v. 37, n. 22, p. 5262-5270, 1998.

CULLITY, BERNARD DENNIS. Elements of X-Ray Diffraction. Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Company, 1967.

DEVORE, JOHN R. Refractive Index of Rutile and Sphalerite. Journal of the Optical Society of America, v. 41, n. 6, p. 416-419, 1951.

DRIESSEN, ALBERTUS; LAMBECK, PAUL VINCENT; WORHOFF, KORNELIS. Design, tolerance analysis, and fabrication of silicon oxynitride based planar optical waveguides for communication devices. Journal of Lightwave Technology, v. 17, p. 1401-1407, 1999.

EL-SAYAD, ESSAM A. Compositional dependence of the optical properties of amorphous Sb2Se3-xSx thin films. Journal of Non-Crystalline Solids, v. 354, p. 3806-3811, 2008.

GASIOT, Jean; MANIFACIER, Jean Claude; FILLARD, Jean Pierre. A simple method for the determination of the optical constants n, k and the thickness of a weakly absorbing thin film. Journal of Physics E: Scientific Instruments, v. 9, p. 1002-1004, 1976.

HEAVENS, Oskar Sigmund. Optical properties of thin films. Reports on Progress in Physics, v. 23, n. 1, p. 1-65, 1960.

JOO, Heejung; CHO, Ming Young; KIM, Jin Hee; KIM, Sung Wook. The optical and structural properties of AlN thin films characterized by spectroscopic ellipsometry. Thin Solid Films, v. 368, n. 1, p. 67-73, 2000.

KADOSHIMA, Masaru; HIRATANI, Masahiko; SHIMAMOTO, Yasuhiro; TORII, Kazuyoshi; MIKI, Hiroshi; KIMURA, Shinichiro; NABATAME, Toshihide. Rutile-type TiO2 thin film for high-k gate insulator. Thin Solid Films, v. 424, p. 224-228, 2003.

MACHORRO, Raúl; SIQUEIROS, Jesús Manuel; REGALADO, Luis Enrique. Determination of the optical constants of MgF2 and ZnS from spectrophotometric measurements and the classical oscillator method. Applied Optics, v. 27, n. 12, p. 2549-2553, 1988.

MOAZZAMI, Kamran; PHILLIPS, Jamie; LEE, David; KRISHNAMURTHY, Shankar; BENOIT, Georges; FINK, Yoel; TIWALD, Thomas. Detailed study of above bandgap optical absorption in HgCdTe. Journal of Electronic Materials, v. 34, n. 6, p. 773-778, 2005

MOUSTAFA, Abdelrahman M.; EL-SAYAD, Essam A.; MARZOUK, Samir Y. Effect of heat treatment on the structural and optical properties of amorphous Sb2Se3 and Sb2Se2S thin films. Physica B, v. 404, p. 1119-1127, 2009 .

OPTICAL SOCIETY OF AMERICA. Handbook of Optics. McGraw-Hill, 2 ed., 1994.

SÁNCHEZ-GONZÁLEZ, J.; DÍAZ-PARRALEJO, A.; ORTIZ, A. L.; GUIBERTEAU, F. Determination of optical properties in nanostructured thin films using the Swanepoel method. Applied Surface Science, v. 252, p. 6013-6017, 2006.

PAZIM, Rafael Cardim. Caracterização óptica de filmes finos Homogêneos e Inomogêneos. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Mato Grosso, 2011.

PELEGRINI, Marcus Vinícius. Estudo de materiais piezoelétricos da família III-IV obtidos por sputtering reativo visando sua aplicação em sensores e mems. 2010. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos) – Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010.

QUEIROZ, Jones Willian Soares de. Propriedades Químicas e Estruturais de Filmes Finos de a-SiC:H Depositados por PECVD. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Mato Grosso, 2010.

SILVA, S.R.P., KHAN, R.U.A., BURDEN, A.P., ANGUITA, J.V., SHANNON, J.M., SEALY, B.J., PAPWORTH, A.J., KIELY, C.J., AMARATUNGA, G.A.J.. The microstructural dependence of the opto-electronic properties of nitrogenated hydrogenated amorphous carbon thin films. Thin Solid Films, v. 332, p. 118-123, 1998.

SWANEPOEL, Robert. Determination of thickness and optical constants of amorphous silicon. Journal of Physics E: Scientific Instruments, v. 16, p. 1214-1222, 1983.

SWAMINATHAN, Venkatesh; SUBRAMANIAN, Balaji; JAYACHANDRAN, Marimuthu. Micro-structural and optical properties of reactive magnetron sputtered aluminum nitride (AlN) nanostructured films. Current Applied Physics, v. 11, p. 43-49, 2011.

TAN, Chin Wen; MIAO, Jianmin. Optimization of sputtered Cr/Au thin film for diaphragm-based MEMS applications. Thin Solid Films, v. 517, p. 4921-4925, 2009.

TRIPATHI, Surya Kant; SHARMA, Indu; BARMAN, Partha Bir. An optical study of a-Ge20Se80-xInx thin films in sub-band gap region. Journal of Physics D: Applied Physics, v. 40, p. 4460-4465, 2007.

VERLEUR, Hans W. Determination of optical constants from reflectance or transmittance measurements on bulk crystals or thin films. Journal of the Optical Society of America, v. 58, n. 10, p. 1353-1364, 1968.

WEMPLE, Stephen H.; DIDOMENICO, Michael. Behaviour of the electronic dielectric constant in covalent and ionic materials. Physical Review B, v. 3, n. 4, p. 1338-1351, 1971.

WINTER, Charles H.; KUMAR, Pradeep; WIEDMANN, Monika K.; AVRUTSKY, Ivan. Optical properties of Al2O3 thin films grown by atomic layer deposition. Applied Optics, v. 48, n. 28, p. 5407-5412, 2009.

YOUSEF, El Sayed; SHAABAN, E. R.; ABDEL-RAHMAN, M. Compositional dependence of the optical properties of amorphous antimony selenide thin films using transmission measurements. Thin Solid Films, v. 515, p. 3810-3815, 2007.

Descargas

Publicado

2024-06-24

Cómo citar

Pazim, R. C., & Prado, R. J. (2024). Nuevo método para la caracterización óptica de películas delgadas. Educar Mais, 8, 408–430. https://doi.org/10.15536/reducarmais.8.2024.4023

Número

Vol. 8 (2024): Janeiro - Dezembro

Sección

Artículos

Licencia

Derechos de autor 2024 Rafael Cardim Pazim, Rogério Junqueira Prado

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial 4.0.

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD: Certifico que participé de la concepción del trabajo, en parte o en la íntegra, que no omití cualesquiera ligaciones o acuerdos de financiación entre los autores y compañías que puedan tener interés en la publicación de este artículo. Certifico que el texto es original y que el trabajo, en parte o en la íntegra, o cualquier otro trabajo con contenido sustancialmente similar, de mi autoría, no fue enviado a otra revista y no lo será mientras su publicación esté siendo considerada por la Revista Educar Mais, sea en formato impreso o electrónico.

 

El autor responsable por el envío del trabajo representa todos los autores del mismo y, al enviar el artículo para la revista, está garantizando que tiene el permiso de todos para hacerlo. Del mismo modo, asegura que el artículo no viola derechos autorales y que no hay plágio en el trabajo. La revista no se responsabiliza por las opiniones emitidas.

 

La Revista Educar Mais es de acceso abierto (Open Access), sin que haya la necesidad de pagos de tasas, sea para submisión o procesamiento de los artículos. La revista adopta la definición de Budapest Open Access Initiative (BOAI), o sea, los usuarios poseen el derecho de leer, bajar, copiar, distribuir, imprimir, buscar y hacer links directos para los textos completos de los artículos en ella publicados.

 

Todos los artículos son publicados con la licencia Creative Commons Atribuição-NãoComercial 4.0 Internacional. Los autores mantienen los derechos autorales sobre sus producciones, debiendo ser contactados directamente si hay interés en uso comercial de los trabajos.