ICS 17.180.01 CCS N 35 团 体 标 准 T/CSTM 00313—2021 基于光谱反演的光学薄膜常数测试方法 Testing method of optical constants for 0ptical thin films based on s pectro -photo -metric method 2021-10-18发布 2022-01-18 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 CSTMhQÆSÑ^Ou(全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313— 2021 I 前 言 本文件参照 GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则 第1部分： 标准化文件的结构和起草规则》 和GB/T 20001.4《标准编写规则 第4部分：试验方法标准》给出的规则起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国材料与试验团体标准委员会 光电材料及产品领域委员会（ CSTM/FC60 ）提出。 本文件由中国材料与试验团体标准委员会 光电材料及产品领域委员会（ CSTM/FC60 ）归口。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 CSTMhQÆSÑ^Ou(全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313-20 21 1 基于光谱反演的光学薄膜常数测试方法 警示——使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本 文件并未指出所有可能的安全问 题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。 1 范围 本文件规定了采用光谱法测定单层光学薄膜的光谱特性，并以此反演出膜层光学常数的测试 方法。 本文件适用于 50nm～5000nm的介质光学薄膜和基片，薄膜为氧化物、氟化物、硫化物等化合物， 基片为各种可见光透明光学玻璃、可见光透明各向同性晶体。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅 该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 26332.1-2018 光学和光学仪器 光学薄膜 第1部分：定义 GB/T 26810-2011 可见光分光光度计 JJG 178-2007 紫外、可见、近红外分光光度计检定规程 3 术语和定义 GB/T 26332.1-2018 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 光谱透射比 spectral transmittance ) (  透过的与入射的辐射能通量或光通量的光谱密集度之比。 ［来源：GB/T 26332.1-2018，2.2.3］ 3.2 光谱反射比 spectral reflectance ) (  反射的与入射的辐射能通量或光通量的光谱密集度之比。 ［来源：GB/T 26332.1- 2018，2.2.3］ 3.3 光谱吸收比 spectral absorptance ) (  CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313— 2021 2 吸收的与入射的辐射能通量或光通量的光谱密集度之比。 ［来源：GB/T 26332.1-2018，2.2.4］ 3.4 光谱散射 spectral scatter 在某一表面或某一介质的作用下， 一束光的传播由一个方向改变到多个方向， 光的空间分布发生了变化， 而组成这束光的任一单色成分的频率均未发生任何变化。 ［来源：GB/T 26332.1- 2018，2.2.5］ 3.5 折射率 refactive index ) (n 光在真空中的传播速率与在介质中的传播速率之比。 ［来源：GB/T 26332.1- 2018，2.2.6］ 3.6 消光系数 extinction cofficient ) (k 复折射率中虚数部分，表征薄膜材料的吸收。 4 原理 4.1介质薄膜分层模型 4.1.1 单层介质薄膜测试参见图 1。 图1 介质薄膜分层模型 4.1.2 入射光经单层膜后， 分为透射光 I0、反射光 IR和散射光 IS和吸收 A，其中散射光相对较小，其 数值引起的光学常数的误差可以忽略，在此不考虑散射光 。 4.1.3 沉积的单层膜，与空气和基片的界面都存在一个过渡层，在这里称谓： 散射层和过渡层，在一定 条件下，散射层和过渡层的厚度效应很弱小，可 忽略不计 。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313-20 21 3 4.2非均匀性假设 薄膜材料可能是非均匀的，其折射率在厚度方向上波动，数学上可用多个折射率不同的子层替代， 通常 2-3层即可，见图 2。膜层的基本结构为空气 /散射层/非均匀子层 /过渡层/基片。 图2 薄膜非均匀性假设 4.3光学常数色散模型 4.3.1柯西（Cauchy）模型 柯西模型的光学常数由公式 （1）和公式（2）给出。 42 1 21 0 0 ) (  nCnC n n   （1） 42 1 21 0 0 ) ( kCkC k k   （2） 式中：  —波长，单位为 nm； n — 折射率； k—消光系数； 0n 、 1n、 2n—折射率色散参数； 0k 、 1k、 2k—消光系数色散参数； C0 —系数， C0=102； C1—系数， C1=107。 4.3.2 陶克-洛伦兹（ Tanc-Lorentz，TL）模型 4.3.2.1 陶克 -洛伦兹模型参见图 3。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313— 2021 4 图3 陶克-洛伦兹（Tanc- Lorentz，TL）模型 4.3.2.2 透明介质薄膜的复介电常数  （E）见公式 （3）。可表示为实部和虚部： 2 1 ) (~  i E  （3） 式中： ε1——实部 可通过Kramers -Kronig积分公式 （4）获得：   gEd EP E   2 22 1) ( 2) ( （4） ε2——虚部，可通过（ 5）获得： g gg E E E EEE C E EE E C AE E     , , 01 ) () ( ) (2 2 2 2 022 0 2 （5） 4.3.2.3 TL模型中可由多个不同的振子构成， 每个振子由 Eg、E0、A、C四个参数构成， Eg是材料吸收限 （ eV）， E0是共振频率（ eV），A为振幅， C为带宽，  / 2E 。 4.3.3塞缪尔（ Sellmeier ）模型 塞缪尔模型 见公式（ 6）和公式（ 7）。 222 11 BAn   （6） 31  FnDCk （7） 式中： A、B、C、D、F—系数；  —波长。 4.3.4色散模型适用性和等效性 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00313-20 21 5 对于材料的弱吸收波段，上述三种模型可近似等效。对于如在紫外波段有明显吸收的材料， TL模 型适用性更好 ，一般适合在可见区消光系数 k<10-4的膜层。 4.4光谱计算原理 4.4.1透射和反射光谱 4.4.1.1 正入射条件下，膜层的透 射比 f和反射比 f 见公式（8）、公式（ 9）。 *) )( (4 H G n H G nn n a as a f  （8） ** ) )( () )( ( H G n H G nH G n H G n a aa a f   （9） 式中： G、H— 系数，由公式（ 10）给出。       s s n m mm m nMHG 1 1 22 2112 11 （10） an —空气折射率， an =1； sn —正入射下基片折射率， mxx— 薄膜的特征矩阵值，采用散射子层、过渡层和非均匀子层模型时，特征矩阵为这些子层特征 矩阵的乘积，下表 a代表空气， s代表基片， f代表薄膜。 4.4.1.2忽略基片的散射和吸收，基片未镀膜后表面透射比 s 和反射比 s 见公式（ 11）、公式（ 12）： 2) (4 s as a sn