Введение к работе
Актуальность работы
В условиях современного научного проіресса и бурного развития нанотехнологий высокие требования предъявляются как к теоретическому уровню научных исследований физических свойств нанотонких слоев оптически прозрачных материалов, начиная с адекватного моделирования их реальной физической поверхности, так и к разработке комплекса корректных средств и методов экспериментального контроля их оптических параметров (дисперсионных значений комплексных показателей преломления и толщин слоев). Одной из наиболее чувствительных и перспективных методик изучения физического состояния приповерхностных наноразмерных слоев и переходных структур является поляризационно-оптическая диагностика, реализуемая на базе современных типовых эллипсометрических приборов, позволяющих исследовать амплитудно-фазовые параметры характера поляризации прошедшего или отраженного от объекта исследования планарного типа когерентного коллимированного монохроматического излучения.
По ряду объективных для традиционной эллипсометрии внутренних методологических причин этот метод исследования оптических параметров материалов оказался не вошедшим в реестр сертифицированных корректных и адекватных способов материаловедения.
Реанимация уникальных внутренних экспериментальных возможностей и создание обновленной (усовершенствованной) методологической основы для современной прикладной эллипсометрии представляются весьма целесообразными и чрезвычайно актуальными для настоящего и будущего нанотехнологической науки и техники.
Целью диссертации является проведение системного теоретического анализа основополагающих в прикладной экспериментальной эллипсометрии свойств аналитических решений основного уравнения эллипсометрии (ОУЭ) Друде для научно обоснованного прогнозирования ряда принципиально новых направлений развития современной прикладной эллипсометрии.
Задачи исследования
Разрешение внутренних методологических проблем традиционных способов эллипсометрического контроля оптических параметров веществ, устраняемых параллельно с разработкой новых способов иоляризационно-оптической диагностики наноматериалов:
о постановка и аналитическая разрешимость свойств решений прямых задач эллипсометрии для ряда типовых оптических моделей, подобных реалистическим объектам исследований;
о постановка задач компьютерного моделирования и анализ проблемных аспектов решения обратных задач прикладной эллипсометрии в типовых реалистичных оптических системах.
Составление численных табулограмм и графических номограмм для представления и последующего анализа типовых свойств решений ОУЭ методом многоугловых разверток на основе компьютерного моделирования с целью открытия новых эмпирических направлений развития будущих нетрадиционных эллипсометрических методов и способов поляризационно-оптического контроля материалов.
Проведение контрольных экспериментов на специализированных объектах для проверки адекватности корректности и точности при интерпретации данных эллипсометрических измерений на основе разработок новых методологических подходов.
Модернизация традиционных измерительных схем О-эллипсометрии.
Решение поставленных задач было выполнено с применением:
классической теории Друде - Френеля;
метода многоугловых измерений амплитудно-фазовых параметров состояния поляризации света;
метода компьютерного моделирования решений прямых и обратных задач ОУЭ Друде в многоугловых развертках на основе разработки пакета авторских алгоритмов и программ;
натурного моделирования: модификация прибора - отечественного эллипсометра ЛЭФ-ЗМ.1 web-камерой и перевода сигналов ФЭУ в разряд информационно-значимых сигналов О-эллипсометров.
Научная новизна результатов
Предложена новая для традиционных методов классической эллипсометрии более широкая интерпретация получаемых в поляризационно-оптическом (модельном и натурном) эксперименте величин мнимой части комплексного показателя преломления, как показателя светоослабления не только за счет механизма дисперсионного поглощения, но и светорассеяния со всеми вытекающими отсюда ортодоксальными свойствами естественной для индикатрис угловой зависимости априорно константных значений дисперсионных параметров поглощения веществ. Такая интерпретация раскрывает физический смысл основного парадокса традиционной эллипсометрии о неконстантности оптических констант, измеряемых при разных углах падения света на вещество.
Впервые проведен системный анализ свойств решений ОУЭ, позволивший подвести методологическую основу для ряда новых направлений нетрадиционной эллипсометрии.
Предложена новая простейшая интерпретация по Брюстеру способа определения единственного значения показателя преломления при
естественном свойстве решений обратных задач эллипсометрии в виде угловых функций оптических констант, исторический парадокс которых экспериментально был выявлен ещё в металлооптичеких исследованиях Васичека.
Установлены метрологический статус и информационная значимость
сигналов ФЭУ в регистрирующем блоке эллипсометров:
о обнаружено аномальное отражение от зеркально гладкой поверхности материалов для скользящих углов падения помимо рентгеновского и в оптическом диапазоне длин волн;
о обнаружена связь шероховатости с интенсивностью спектров аномального отражения;
о предложен способ определения степени шероховатости по максимуму в спектрах угловых разверток информативного значения ФЭУ-сигналов аномального отражения.
Обнаружены инвариантные величины, связывающие минимум амплитудной функции отраженной волны с показателем светоослабления при данном показателе преломления, названные инвариантами Френеля -Брюстера. Определены области их устойчивости для всевозможных значений реальной экстинкции.
Показана принципиальная адекватность эллнпсометрического метода исследования жидких сред с возможностью проведения кинетических измерений на примере чистой воды и биосубстратов, используемых в медико-биологических растворах для исследования аспектов «памяти» и вирусологической активности слабых растворов.
Предложены новые методы калибровки приборов серии ЛЭФ по аттестационным мерам шероховатости на основе наборов нейтральных светофильтров в широком диапазоне их поглощения.
Научные результаты диссертации, выносимые на защиту:
типовые свойства решений ОУЭ в угловых развертках для моделей идеальной границы и однородного слоя, полученные при анализе результатов компьютерного моделирования решений в самосогласованной постановке, на основе которых выделены представленные ниже методологические направления нетрадиционной эллипсометрии;
методика определения показателя светоослабления с помощью инвариантов Френеля-Брюстера (ФБ) в модели идеальной границы:
о трансформация инвариантов ФБ в модели однородного слоя;
о применение инвариантов ФБ для исследования объектов с «невидимыми» диффузными отражающими границами на примере оценки оптических параметров кристаллов NB;
методика модернизации эллнпсометрического эксперимента по обнаружению и измерению спектров аномального отражения (АО);
методика эллипсометрии полного внутреннего отражения (НПВО -ЭПВО);
перспективность методики спекл-эллипсометрии (СЭМ), предназначенной для исследования статистически развитых шероховатых границ раздела, реализуемой с помощью анализа изображения, полученного модификацией приборов ручного управления web - камерами с компьютерной обработкой;
метод кинетической эллипсометрии (КЭ) для медико-биологических задач;
эскизный проект малогабаритного портативного прецизионного эллипсометра с характеристиками, аналогичными стационарным приборам серии ЛЭФ - ЗМ.1 для качественного контроля оптических параметров различных объектов исследования, в частности, биорастворов для допускового вирусологического контроля;
методика многоугловых измерений амплитудно-фазовых параметров состояния поляризации отраженной световой волны и последующей обработки данных в эллипсометрическом эксперименте, показанная на ряде объектов (стекла марки НС, фотокерамика, гель-зольные слои, наноразмерные рентгеновские фильтры, дистиллированная вода и биосубстраты):
о проведение автокалибровки измерений по диэлектрическим
материалам; о использование первичной измерительной информации и
численных алгоритмов сглаживания её - по данным
многоугловых измерений.
Практическая ценность работы:
разработанная методика адекватного анализа свойств решений обратных задач эллипсометрии по поляризационным параметрам Ч7 и А поля отражённой световой волны и составленные алгоритмы корректировки их угловой статистической несостоятельности решают основную проблему эллипсометрии - необеспеченность методологией;
выявленные семейства инвариантов Френеля - Брюстера по параметрам показателя преломления являются методологически новым способом определения показателя экстинкции материалов;
предложенное метрологическое обеспечение (МО) научно-обоснованной методики планирования и проведения измерительного эксперимента, разработки его реализации и интерпретации полученных данных, для эллипсометрического метода исследования позволяет считать его научно обоснованным и ГОСТ состоявшимся с точки зрения приборной аттестации;
предложен способ создания мер шероховатости на стёклах марки НС;
разработанный пакет компьютерных программ позволяет решать прямые и обратные задачи эллипсометрии для различных моделей: идеальной границы, однородного слоя, для любого числа слоев; это является полезным для проведения модельных и натурных
эллипсометрических экспериментов, может быть использован в лабораторном практикуме бакалавров и магистров технических ВУЗов; предложенные методики являются практически значимыми для нанотехнологий: для исследования оптических параметров наноразмерных структур (жидких сред, твердых и слоистых тел), для определения наноразмерных шероховатостей на поверхности материала, для исследования кинетики поведения медико-биологических наноразмерных объектов.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на:
XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО, «Достижения ученых, аспирантов и студентов СПбГУИТМО в науке и образовании» (31.01. - 03.02.2006 г.);
III Межвузовской конференции .молодых учёных (10.04. -
13.04.2006 г.);
IV Международном Конгрессе «СЛАБЫЕ И СВЕРХСЛАБЫЕ ПОЛЯ ИИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» (июль 2006 г.) - стендовый доклад;
НИР с Фондом «АЙРЭС» (отчет № 26727): «Исследование влияния фрактально-матричного резонатора «АЙРЭС» на оптические свойства дистиллированной воды»;
XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУИТМО (30.01. - 02.02.2007 г.);
IV Межвузовской конференции молодых ученых (10.04. -
13.04.2007 г.);
XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО (29.01. - 01.02.2008 г.);
V Межвузовской конференции молодых ученых (15.04. -
18.04.2008 г.).
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем диссертации:
