بیضی سنجی

بیضی سنجی روشی نوری برای مطالعه ویژگی‌های دی‌الکتریک لایه های نازک است. در این روش با بررسی تغییرات قطبش نور بازتابیده از نمونه، می‌توان اطلاعاتی درباره لایه‌هایی که نازکتر از طول موج نور (حتی به اندازه یک لایه اتمی) است، بدست آورد. این اطلاعات می‌تواند شامل ریخت‌شناسی، ترکیب شیمیایی، زبری، ضخامت(عمق)، طبیعت کریستالی، غلظت آلایش، رسانایی الکتریکی، ویژگی های نوری (ضریب شکست، ضریب جذب و توابع دی الکتریک) و غیره باشد. اصلی ترین مزایای بیضی سنجی غیر مخرب بودن، حساسیت بالا و محدوده اندازه گیری وسیع است.

اساس عملکرد یک بیضی سنج این حقیقت است که بازتاب از فصل مشترک (سطح) دی‌الکتریک می‌تواند قطبش و فاز موج ورودی را تغییر دهد. میزان این تغییرات به ضریب شکست ماده بستگی دارد. اندازه‌گیری تغییر فاز می‌تواند در یک طول موج یا چندین طول موج و در یک زاویه برخورد یا در زوایای برخورد متفاوت انجام داد. 

  همچنین بیضی‌سنجی می‌تواند برای اندازه‌گیری ضخامت لایه‌هایی با ضخامت نانومتری که روی زیرلایه‌های مختلف قرار دارند، استفاده شود. حتی به کمک این روش می‌توان نمونه های چندلایه ای (Multilayer) را نیز بررسی و مطالعه نمود.

چیدمان آزمایشگاهی بیضی سنجی

در چیدمان آزمایشگاهی بیضی سنجی، نور منبع به وسیله یک قطبشگر به نور با قطبش خطی تبدیل می شود. سپس قطبش این نور با عبور از یک جبران کننده، به قطبش دایروی تبدیل می شود. پس از این مرحله، نور به نمونه برخورد می کند و پس از بازتاب از سطح نمونه، به ترتیب از یک جبران کننده و یک قطبشگر (به نام آنالیزور) عبور خواهد کرد و در نهایت جهت تعیین شدت به داخل یک آشکارساز هدایت خواهد شد.

در نهایت متغیرهای بیضی‌سنجی (Δ و ψ) از رابطه اصلی بیضی‌سنجی محاسبه می‌گردند و با مدل‌سازی این توابع به وسیله بانک اطلاعاتی، می‌توان به خواص نوری لایه پی برد. نقشه خواص در یک ناحیه مشخص سطح با استفاده از بیضی سنجی نیز امکان پذیر است. به جای جبران کننده می توان از مدوله کننده فاز (Phase-modulator) نیز استفاده کرد. شکل زیر طرح واره ای از دستگاه بیضی سنج را نشان می دهد.

چیدمان آزمایشگاهی بیضی سنجی
چیدمان آزمایشگاهی بیضی سنجی

در بیضی سنجی، زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است. نور با قطبش موازی یا عمود بر صفحه تابش (صفحه تابش عمود بر نمونه است) به ترتیب نور قطبیده p و sنامیده می شود (شکل 2). دو تابش تقویت شده s و p بعد از بازتاب از سطح به حالت اولیه خود بر می گردند که به ترتیب دارای دامنه های rs و rp هستند و نسبت rp به rs بر اساس معادله زیر اندازه گیری می شود.

P=rp / rs =tan⁡(ψ) e

P تغییرات قطبش، (tan⁡(ψ نسبت دامنه بازتاب است که نسبت تغییرات برای نور با قطبش s و p را نشان می دهد وΔ بیانگر جابه جایی نسبی فاز است که در بیضی سنجی این دو کمیت ((ψو Δ )tan) اندازه گیری می شود. rp بیانگر مولفه نوسانی در صفحه فرود و rs مولفه نوسانی عمود بر صفحه فرود است (شکل 2). با توجه به این نسبت دو مقدار اندازه گیری می شود. بیضی سنجی روشی دقیق و تکرارپذیر است. بیضی سنجی به پخش نور حساس نیست و در آن نیازی به نمونه مرجع برای تصحیح روش وجود ندارد. در نمونه هایی که لایه از نظر نوری کاملا یکنواخت، همگن و همسانگرد باشد، با استفاده از داده های ψ و Δ به طور مستقیم می توان خواص مواد را به دست آورد. اما در نمونه های پیچیده تر، با در نظر گرفتن ثابت های نور مانند تابع دی الکتریک یا ضریب شکست و پارامترهای ضخامتِ هر یک از لایه ها بایستی یک مدل طراحی شود.

نمایش صفحه تابش، نور با قطبش p و s
       نمایش صفحه تابش، نور با قطبش p و s

چیدمان آزمایشگاهی بیضی سنجی شرکت پلاریتک دارای آنالیزور چرخان است. در این چیدمان از سیستم چرخش هم زمان آنالیزور برای شناسایی نور قطبیده شده پس از بازتاب از سطح استفاده می شود. بیضی سنج با آنالیزور چرخان به دلیل دقت و سرعت بالا در بررسی واکنش ها به ویژه واکنش هایی که در لایه نازکی بر روی سطح روی می دهد، استفاده می شود. فرآیند داده برداری در این چیدمان به صورت خودکار انجام می گیرد و شدت نور در هر مرحله پس از حرکت آنالیزور ثبت می گردد.

منبع: http://edu.nano.ir/paper/314