银薄膜厚度的表面等离子体共振测量法开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

金属薄膜材料是利用蒸发法、溅射法或者化学气相沉积法将原子、分子或离子沉积在体材料表面形成的一种新型的特殊材料。作为一种金属跟体材料形成的复合型材料，金属薄膜材料与体材料相比有着许多独特的光学和电学性质。例如金属耐磨薄膜，al或cu的导电薄膜，含ag材料的光存储薄膜，磁性存储薄膜。

金属薄膜材料的性质取决于多个方面，不仅是金属的种类，薄膜的制作工艺，还与薄膜的厚度密切相关。随着现代科技水平和生产制造工艺的发展，金属薄膜的厚度也达到了nm级，纳米级金属薄膜材料具有特殊的性能，在现代科技如微纳光电子器件有着重要应用。该薄膜的特殊性能与其厚度密切相关，因此需要高精度测量厚度参量。目前能够高精度测量纳米级金属薄膜的仪器主要是扫描探针显微镜（spm），椭圆偏振光检测仪以及台阶轮廓仪等等。但是由于价格昂贵和结构复杂，限制了它们更广泛地应用，所以本次研究课题的目的和意义在于寻找一种简单有效的金属薄膜测量方法。

在众多类方法当中，毫无疑问光学方法是最适合本次实验的方法，它相对于其它类方法具有快速、准确和不损伤薄膜等优点。利用表面等离子共振（surface plasma resonance）现象制作光薄膜传感器进而测量金属薄膜厚度是一个十分可行的方案。

2. 研究的基本内容与方案

本次设计的主要目标是利用表面等离子体共振测量系统来测量银薄膜的厚度。表面等离子共振是一种物理光学现象，利用光在金属玻璃的分界面处发生的内全反射时所产生的倏逝波，激发金属表面自由电子产生的等离子波，在入射角和光波长为适当值时，表面等离子波的纵向波矢和倏逝波的纵向波矢相等，则相位匹配，发生共振，使得反射波能量急剧减少。由此可建立共振角与薄膜厚度的相关公式，通过共振角即可得到对应的薄膜厚度。

实验的内容包括以下三个主要的部分。第一是建立模拟表面等离子体共振的理论分析模型，通过模型来分析实验的可行性和实验所需的参数；第二是通过matlab仿真分析共振角与银膜厚度之间的关系，分析利用表面等离子体共振测量方法的测量思路；第三部分是根据仿真分析结果设计表面等离子体共振测量系统，并进行银膜厚度的测量。

按光波与等离子体的耦合方式，spr 传感器分为三种类型：棱镜型，光纤型和光栅型。此次试验拟采用棱镜型，在小型棱镜的底面镀金属薄膜，采用改变入射光的入射角，通过分析入射角θ与反射系数r之间的关系，得到介电常数ε₁和金属薄膜厚度d。spr传感器实验模型见附件。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解表面等离子体共振的原理和相关知识，并建立理论分析模型，完成开题报告。

第4－8周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标，建立比较完整的基于表面等离子体共振测量银膜厚度的理论分析模型；

第9－13周：搭建表面等离子体共振测量系统，测量银薄膜的厚度，完成相应的实验结果处理和误差分析；

第14－16周：完成并修改毕业论文；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 符运良，袁一方，陈抱雪，“表面等离子体共振（spr）薄膜传感器的研究”. 激光杂志，73-74,27（2006）

[2] w. p. chen , j. m. chen, “use of surface plasma waves for determination of the

thickness and optical constants of thin metallic films”, opt. soc. am.71, 189–191 (1981)

[3] w. p. chen and j. m. chen,"surface plasma wave study of submonolayer cs and cs-o covered ag surfaces," surf. sci. 91,601-617 (1980)