薄膜厚度测量设备与测量方法比较研究(3)
2 雕塑薄膜
雕塑薄膜可以实现许多传统薄膜无法实现的光学性质，为光学薄膜的设计与制备开辟了新的途径倾斜沉积技术制备的雕塑薄膜是具有各向异性特性的柱状薄膜，膜中孔洞比较多，气孔率比较高，因此，在多个领域都有广泛的应用前景。例如，它可以作为生物分子形核与长大的载体，催化反应的活性表面，还可以用于场发射器，太阳能电池，气液传感器 ，热障涂层等。雕塑薄膜在光学方面的应用主要依赖于其双折射特性和折射率的可调性。由于存在较多的孔洞，雕塑薄膜的有效折射率比块体材料小，通过控制薄膜中孔洞的多少进而可以设计雕塑薄膜的有效折射率。
倾斜沉积的薄膜中一般存在大量的孔洞结构。由于孔洞的存在，使得倾斜沉积的薄膜密度小于垂直入射得到的膜的密度。这是雕塑薄膜的一个重要特征气流垂直到达基片表面，不存在阴影效应，原子的分布是各向同性的，形成紧密排列的柱状结构，得到的薄膜的密度为块体材料密度的80～100％。然而，在气流倾斜入射的情况下，平面内的阴影效应是各向异性的沉积角越大，阴影长度也越大，使得薄膜密度下降到体密度的l0—30％，且柱品变得更加分离[3]。
2.1 雕塑薄膜的双折射特性
当光在各向异性的薄膜中传播时，普通的单色光会分解成两束偏振光，出现类似于晶体中的双折射现象。因此，从光学特性的角度考虑，雕塑薄膜也称为雕塑双折射薄膜。双折射雕塑薄膜是具有各向异性结构的新型薄膜材料。特殊的倾斜沉积制备技术使其具有各向同性薄膜无法实现的光学特性，为光学薄膜的设计与制备开辟了新的途径。
当光线在各向异性薄膜中传播时，普通的单色光会分解成两束偏振光，出现晶体中的双折射现象。对于双轴各向异性薄膜，其折射率主坐标系的定义：折射率主轴1沿着薄膜柱状结构的径向方向，主轴2在沉积平面内，垂直于折射率主轴1，折射率主轴3则垂直于沉积平面，如图2.1所示，其中θ为光线的入射角，β为薄膜的柱状角。
图2.1 双折射雕塑薄膜的折射率主轴
虽然近十几年来，雕塑薄膜的研究取得了很大的进展。但许多基本问题没有得到真正解决，距离实用化的目标还有一段距离。单层双折射雕塑薄膜的设计、制备技术还不够完善，多层双折射雕塑膜的制备技术还处于探索阶段，仍有许多问题有待于深入研究[4]。
2.2 雕塑薄膜的制备方法
倾角沉积可以追溯到大约一个世纪以前[5]。但只是从20世纪50年代开始，人们才逐渐在倾斜柱状薄膜中观察到了不同于一般薄膜的光学各向异性[6]。正是由于这一重要发现，使得倾斜沉积技术成为一种独特的薄膜制备技术。倾斜沉积也由单一的倾角沉积(oblique angle deposition—OAD)发展成为由计算机控制的三文扫描沉积(glancing angle deposition—GLAD)。
利用物理气相法沉积薄膜时，若蒸气流入射方向与基片表面垂直，一般得到的是各向同性的薄膜材料。如果将基片倾斜一定的角度，控制蒸气流入射方向与基片表面法线方向的夹角，再辅以不同的基片旋转方式，可以得到不同于传统结构的各向异性薄膜，从而使薄膜的性能发生根本性的变化。这种通过控制制备方式从而改变薄膜微结构的薄膜就是雕塑薄膜(sculptured thin film，简称STF)。图1为倾斜沉积制备雕塑薄膜的示意图。图2.2中，基片法线与蒸气流方向之间的夹角β为沉积角，基片绕法线方向的轴旋转的角妒为基片旋转角，基片法线和柱体方向之间的夹角为柱状角。
图2.2 倾斜沉积制备雕塑薄膜的示意图
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