Altın filmlerin görünür ışık bölgesindeki optik özelliklerinin elipsometrik yöntemle incelenmesi

Abstract

60 ÖZET Metallerde, elelektriklerin sahip olduğu bağlı elektronlara ilaveten serbest elektronlar da bulunmaktadır. Bu nedenle ışığın iletken bir ortamda yayılması' di elektrikler den farklı olur. Işık, iletken bir ortamda ilerlerken ortam tarafından şiddetle sbsorplanır. Bunun sonucu olarak metalin kırılma indisi dolayısıyla dielektrik sabiti kompleks olur. nsn-ik şeklindi yazılan kompleks kırılma indisinin n gerçel kısmı, k da sanal kısmı olup sönüm katsayısı adını alır.n ve knın her ikisine birden metalin optik sabitleri denir. Metallerin optik sabitleri çeşitli deneysel yöntemlerle belirlenebilir. Bu çalışmada altının görünür bölgedeki optik sabitleri yansıma elipsometrisi kullanılarak bulunmuş tur. Yansıma elipsometrisi, yüzeyden yansıyan ışığın polarizasyon halinin incelenmesine dayanır. Bir metale eğik olarak gelen lineer polarize ışık, metalden yansıdıktan sonra hem genlik hem de faz bakımından değişikliğe uğrayarak eliptik polarize ışık haline gelir. Yansıyan ışığın p ve s bileşenleri arasındaki faz farkı A, genlik oranlarının değişim faktörü tgY ile gösterilir. A veY nin her ikisine birden elipsometh- rik parametreler adi veri lir. Yarı sonsuz bir iletken ortam için elipsometrik parametrelerle optik sabitler arasındaki ilişki aşağıdaki bağıntıyla verilir. n2-k2Ssin2f tg2* (cos22Y-ain22Yin2A) + ^ r T (l+sin2YcosA)2 * 2nk«sin2* tg2$ Bin4YslnA (l+sin2YcosA)2 Burada $ gelme açısıdır. Belirli bir gelme açısında & veY bulunursa (l) bağıntısından optik sabitler hesaplanabilir. ^ veY» elipsometre adı verilen deneysel düzenek kullanılarak belirlenir. Elipsometre, ışık kaynağı, kolimatör, polarizör, analiz ör, kompansatör, teleskop ve detektörden oluşan61 bir düz enektir. Elipsometreda ışık kaynağından çıkan ışınlar filtreden geçtikten sonra monokromatik, kolimatörden geçtik ten sonra paralel, polarizörden geçtikten sonra lineer polarize ışık haline gelirler.Lineer polarize ışık incelenen metalden yansıdıktan sonra eliptik polarize ışık haline gelir* Yansıma ile oluşan faz farkı kompansatörle giderilerek, eliptik polarize ışık tekrar lineer polarize haline getirilir. Li neer polarize ışık da analizörle sönümlenir. Sönümlenme durumunda kompansatör, polarizör ve analizör konumlarından Archer ve Shank tarafından verilen bağıntılar kullanılarak A ve t bulunur. Bu çalışmada, vakumda buharlaştırma yöntemiyle oda sıcaklığındaki cam taşıyıcılar üzerinde hazırlaman kalın al tın filmler kullanıldı.Bu filmler için asal gelme açısının 66° civarında olduğu belirlendi. Görünür ışık bölgesinde (4000- 7000 i) n,k optik sabitleri ile dlelektrik sabitinin £x ger- çel ve ?2 sanal kısımları ve Im(l/£ ) kayıp fonksiyonunun foton enerjisi ile değişimleri incelendi. Bu değişimlerin, altının bandı yapısı ile ilgili olarak 2 eV dan itibaren baş layan band; arası geçişlerin ve 2.58 eV civarındaki serbest elektronların yüzey plazma titreşimlerinin etkisini gösteren karekteristik özellikler taşıdığı anlaşıldı.Savlama işlemi sonucunda filmlerin reflektsnslarının arttığı gösterildi.Bu etkinin filmdeki kristalitlerin büyümesi sonucunda yüzey pli- rUzlülUğUnUn azalmasıyla- ilişkili olduğu belirtildi. Çalışma da elde edilen sonuçlar, başka araştırmacılarınkilerle karşılaştırıldı.

62 SUMMARY Metals have free electrons in addition to bound electrons in comparison to dielectrics which only have bound electrons. For this reason, propagation of light in a conduc ting medium is different from dielectrics. Light has been ab sorbed! strongly by the medium while it propagates in a con ducting medium. As a result of this, refractive index and as a consequence the dielectric constant is complex. Complex refractive index is written in the form nsn-ik, n is the real part and k is the imaginary part of complex refractive index which is called! extinction constant. Optical constants af metals are determined by vari ous experimental methods. In this work, optical constants of gold; have been dietermined using reflection ellipsometry, in visible region. Reflection ellipsometry is base* on the analy sis of the polarization state af reflected5 light from a sur face. Obliquely incident linear polarized light onto a metal, after reflection changes in both amplitude and phase, and becomes elliptically palarized light. Ü3ıe phase difference between p and7 s components ef reflected1 light and changing factor of the ratio of their amplitudes are shown as A and *sY» respectively. Both A andY are called ellipsometric pa rameters.Relations between ellipsometric parameters and' opti cal constants of a. semi-infinitive conducting medium are given by the following equations n2-k2=sin20 tg2# (coB2?Y-sing2Vsin2A) + sln2# (l+sin2VcosA) 2nk s sin2# tg20sin4YsinA g Cl+sin2YcosA)^ (1) where 0 is the incident angle. If A andY are determined at a certain incident angle, optical constants are calculated63 from equation (l).Asad Yare determined using an experimen tal device which is called ellipsometer.Ellipsometer is a device consisting of a light source, collimator, polarizer, analyzer, compensator, telescope and detector. In the ellip- someter, rays coming from the light source become monocroma- tic after passing through the filter, become parallel after passing through the collimator, and become linear polarized light after passing through the polarizer. Linear polarized light, after reflecting on a metal which will be investiga* ted, becomes elliptically polarized light. The phase diffe rence which is generated1 by reflection is compensated? by the compensator, and thus elliptically polarized light becomes again linear polarized; light «Linear polarized? light is also extinguished by analyzer. In this extinction situation^ and V are determined from settings of compensator, polarizer, analyzer and; using equations which are given by Archer and` Shank. In this work, thick gold films which are deposited on the glass at room temperature by the method) of evapora tion in vacuum, have been used.Principle incident angle of these films has been determined to be around 68°. Optical constants n and' k, real and imaginary parts of dielectric constant E, and ??, energy-loss function Im(l/& ) and their behaviours against photon energy have been investigated:' in the visible region. (4000-7000 I) It is understood that these behaviours carry characteristical properties connected with band structure of gold-, and show that interband transitions begin from 2 eV and display the effect of surface plasma oscillations of free eleotrons around 2.58 eV.It is shown that after annealing reflectans of' films are increaeed.lt is explained that this effect is a result of decreasing of sur face smathness due to growing of crystallites in the film. Results which are obtained in this work have been compared with the results of other researchers.