文档介绍：2005届优秀毕业论文[设计]集(第五册理学院)CollectionGraduationTheses(Projects)ofSZU2005(VOLUMEVSchoolofScience)纳米金属薄膜的光学特性与介电常数(理学院应用物理系应用物理学黄子嵩)(学号:1999145212)内容提要:本文从金属薄膜的光学性质出发,在得到的光学常数n和k的基础上研究金属薄膜的介电常数。论文是在范平老师研究Cu膜的光学常数的基础上,利用范平老师研究Cu膜光学常数随厚度变化的结果,进一步导出了Cu膜的复介电常数,并对结果作了进一步的讨论。Cu膜不连续εε时的复介电常数的实部1与连续膜时的介电常数1随波长变化规律不同;不同厚度的连续膜的ε复介电常数的实部1随波长变化规律相同,但大小随膜厚变化而变化,且Cu膜有明显的带内跃ε迁的现象。介电常数的虚部2代表电波穿过介质时的能量损耗,Cu膜不连续时的介电常数的ε虚部2与连续膜时的介电常数随波长变化规律不同;不同厚度的连续膜的介电常数随波长变化规律不同,但大小随膜厚变化而变化。关键词:金属薄膜光学常数介电常数复介电常数Cu膜教师点评:本文从金属薄膜的光学常数出发,研究了金属薄膜的复介电常数。得到了纳米Cu膜复介电常数随膜厚变化的规律,由金属薄膜的光性质来研究金属薄膜的电性质,对于进一步深入研究纳米金属薄膜的物性及应用有十分重要的意义。论文内容充实,结果分析透彻,文笔基本流畅。是一篇较为优秀的论文。(点评教师:范平,教授)前言微电子技术近年来的飞速发展促进了金属导电膜的研究。小于30nm的金属薄膜(如Au、Ag和Cu薄膜)作为最常用的吸收透明导电薄膜的成员被广泛用于制作各种平板显示装置的透明电极[1],包括液晶显示屏和有机发光二极管[2,3]。随着集成电路的集成度和工作频率的不断提高,人们把应用和研究的重点开始转向具有较高的抗电迁移能力、电阻率更低、且廉价的Cu金属膜[4]。Cu在低维金属材料中使用较多,是软X射线多层膜中金属层薄膜的常用材料[5],也是巨磁电阻多层薄膜常见的组元材料。一般来说,材料在薄膜状态下的介电常数与大块材料或相对较厚的厚膜有明显差别,而且强烈地依赖于制备方法和制备工艺,因此,掌握和控制薄膜的介电常数是制造优质薄膜的重要环节[6]。虽然对金属薄膜的光学常数的研究开展得较早[7-9],但对于Cu膜的很多工作对应的是厚膜[10-12],对于不同厚度纳米Cu膜的光学常数研究的报道不多。在膜系的设计和性能分析中多用厚膜或块状材料的光学常数直接代替膜材的数据,由此带来误差。范平老师对Cu膜的光学常数进行了研究[13]。但是,对金属薄膜的介电常数研究的文章不多,特别是对不同厚度纳米Cu膜的介电常数研究的报道更少。因此,本文在现有金属薄膜的光学常数的基础上,研究了金属薄膜的复介电常数。得到了纳米Cu膜复介电常数随膜厚变化的规律。由金属薄膜的光性质来研究金属薄膜的电性质,对于进一步深入研究纳米金属薄膜的物性及应用有十分重要的意义。一、金属的介电常数与光学常数[14-15],在一般情况下,金属是良导体,它具有很高的电导率。所以,在研究金属的光学性质时,必须考虑电导率的影响。1黄子嵩:纳米金属薄膜的光学特性与介电常数设均匀各向同性媒质的介电常数为ε,ε是真空时的介电常数,磁导率为µ,µ是真空ϖ0ϖϖϖρϖ0时的磁导率,电导率为σ。利用物质方程j=σE、D=εE、B=µH,可得如下形式的麦克斯韦方程:ϖϖϖ∂E∇×H=σE+ε;∂ϖtϖ∂H∇×E=−µ;∂t(1-1)ϖρ∇⋅E=;εϖ∇⋅H=0。由上述方程组可得ϖ∂Eσ−ε∇⋅()=ρ;∂tεϖ∂E1∂ρ∇⋅()=。∂tε∂t最后得到∂ρσ+ρ=0;(1-2)∂tε式中,ρ为电荷密度。上式的积分结果是ρ=ρ−t/τ0e;(1-3)ε式中,τ=,称为弛豫时间。由此可见,对于任何电导率为σ的媒质,电荷密度ρ都随时间σ−按指数衰减。由于金属的电导率甚大,弛豫时间τ非常小,其典型的数量级是1018s,比光频周ϖ期要短得多,所以可假定金属中的ρ实际上总为零。由此可得电场E所满足的波动方程:ϖϖϖ∂E∂2E∇2E=µσ+εµ。(1-4)∂t∂t2ϖϖϖ=−iωt如果场是严格单色的,且E具有EE0e的形式,则(1-4)式变为ϖϖ∇2E+kˆ2E=0(1-5)式中,σkˆ2=ω2µ(ε+i)。(1-6)ω令σεˆ=ε+i;(1-7)ω则波动方程(1-5)在形式上与介质中的方程相同。只要频率ω不接近共振频率,则介质的介电常数在良好的近似下是实数,而对金属来说,其介电常数是复数。由(1-4)和(1-5)式可见,2黄子嵩:纳米金属薄膜的光学特性与介电常数平面波在导电媒质中传播的基本方程与透明电介质中传播的区别仅在于实常数ε和k被复常数εˆ和kˆ所代