椭偏仪在位表征电化学沉积的系统搭建（三）-应用案例

正文

椭偏仪在位表征电化学沉积的系统搭建（三）-应用案例

1.3应用案例

椭偏仪在位监测已经广泛应用于薄膜生长、颗粒和生物大分子的吸附等领域。下面介绍一下椭偏仪在位监测在薄膜生长和颗粒方面的案例。

1.3.1薄膜生长

椭偏仪对厚度的无损测量使其可实现薄膜生长的实时监控。而不同时间生长时间其薄膜的性质及厚度不同，这样需要构建不同厚度的多层膜结构，从而实现在位监控，得到薄膜生长厚度随时间的变化信息。比如F.N.Dultsev等采用椭偏仪研究了沉积在硅表面的钛基体氮化机理、Yuki Ishikawa等采用原位椭偏仪研究了离子液体薄膜的玻璃化转变行为，Meng Yuan等提出了一种简便、无损伤的在位椭圆偏振法来监测C_sPbI₃薄膜在室温至340℃热变色过程中三个显著相变的光学性质演变等。

除了上述椭偏仪常规薄膜的研究以外，椭偏仪还用于自组装单层膜(SAMs)厚度的研究。自早期实验以来，椭圆偏振谱已被广泛应用于自组装单层膜的厚度测定。利用椭偏仪测量得到SAMs表面光谱特性，可以得到SAMs的光学性质以及形态结构，如界面形态等。随着自组装单层膜(SAMs)监测表征技术的发展，红外椭圆偏振光谱(IRSE)作为表征纳米结构的一种强有力的工具，特别是自组装单分子膜(SAMs)的表征上，已得到极大的发展。与传统的傅里叶变换红外反射吸收光谱(FT-IRRAS)相比，IRSE在测定高反射率波长区域内的介电函数(低至单分子层厚度)方面具有优势。另外，IRSE表征比FT-IRRAS表征有更多的实验参数，可以获取薄膜样品的更多信息。

图1-3为利用椭偏仪在位监控微晶mc-Si:H薄膜在ZnO衬底的生长。生长模型为岛状生长，因此在生长过程中，表面较为粗糙，通过模型构建可以获取薄膜表面粗糙度随时间演变和生长速率和生长模式。

图1-3薄膜生长过程中表面的粗糙度随着时间的演变

1.3.2监测颗粒吸附

对于颗粒或者大分子层的吸附，椭偏仪可以检测到其光学常数的变化，并且利用有效介质模型提取颗粒的覆盖率信息等。椭偏仪被广泛应用于生物大分子特别是蛋白质等的吸附研究。Woo-KulLee等在2003年采用在位椭偏仪监测蛋清溶菌酶吸附动力学数据，从而建立了蛋清溶菌酶对亲水二氧化硅吸附动力学的模拟模型。如图1-4所示，Katerina Stamataki使用椭偏仪(EW-CRDE)采用740nm探测激光束监测吸附的罗丹明800的吸收和相移Δ以及聚四氟乙烯悬浮液在熔融石英棱镜表面沉降过程中的吸收和相移Δ。结果表明，椭偏仪为Δ的测量提供了一种灵敏的方法，Δ的精度约为10^-4度。

图1-4用于研究在棱镜界面处的气体或液体样品的实验装置

图1-5是Diana Viegas等用椭偏谱法研究核壳金属有机纳米粒子吸附在基底上的测试示意图。其采用Bobbert-Vlieger模型计算核壳粒子在基底上的光散射，数值计算预测金属有机粒子对应的椭偏参数Δ和ψ。理论上在裸露的金纳米颗粒的极限情况下，Bobbert-Vlieger模型的预测与常用的Maxwell-Garnett有效介质近似的预测一致。Bobbert-Vlieger模型的优点包括它依赖于麦克斯韦方程组的精确解，以及可以模拟比EMA模型更复杂的纳米结构体系。理论和实验上都发现，在真实的实验条件下，可以检测到与纳米颗粒表面生物功能化和生物认知事件相关的椭偏参数的变化。结果还表明，这种方法可扩展到更复杂参数的测量，例如生物有机壳的水合程度，甚至可能扩展到溶液中生物功能化纳米颗粒的测量。

图1-5 Au纳米颗粒探测有机分子的示意图

由此可见椭偏谱通过建模可以获取薄膜、纳米颗粒的光学常数和生长过程信息。

1.3.3椭偏仪应用于电化学沉积监测

椭偏仪可获取固-液界面和固-气界面信息。椭偏仪可用于探测蛋白分子在固体-液体界面的物理和化学过程，获取蛋白质分子的振动能量变化。利用椭偏仪可观察溶液中Mg合金氧化生成MgO的过程及GaAs的腐蚀过程。此外，椭偏仪还被应用于有机溶液的介电常数测试，可实现对过滤膜中的固液或固气界面的生成物的实时监控。因此椭偏仪表征是固-液界面的重要表征方法之一。利用椭偏仪在位监测Au衬底上Bi₂Te₃生长的椭偏参数并解构出电化学沉积过程。椭偏仪也用于研究铜互连工艺中有机高分子PEG与C1^-的相互作用对于Cu沉积过程的影响。因此在位椭偏仪可直接监控电化学沉积过程中的厚度和成分变化及相应的生长过程。

了解更多椭偏仪详情，请访问上海昊量光电的官方网页：

https://www.auniontech.com/three-level-56.html

更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。

相关文献：

[1] WONG H S P, FRANK D J, SOLOMON P M et al. Nanoscale cmos[J]. Proceedings of the IEEE, 1999, 87(4): 537-570.

[2] LOSURDO M, HINGERL K. ellipsometry at the nanoscale[M]. Springer Heidelberg New York Dordrecht London. 2013.

[3] DYRE J C. Universal low-temperature ac conductivity of macroscopically disordered nonmetals[J]. Physical Review B, 1993, 48(17): 12511-12526. DOI:10.1103/PhysRevB.48.12511.

[4] CHEN S, KÜHNE P, STANISHEV V et al. On the anomalous optical conductivity dISPersion of electrically conducting polymers: Ultra-wide spectral range ellipsometry combined with a Drude-Lorentz model[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(15): 4350-4362.

[5] 陈篮，周岩. 膜厚度测量的椭偏仪法原理分析[J]. 大学物理实验, 1999, 12(3): 10-13.

[6] ZAPIEN J A, COLLINS R W, MESSIER R. Multichannel ellipsometer for real time spectroscopy of thin film deposition from 1.5 to 6.5 eV[J]. Review of Scientific Instruments, 2000, 71(9): 3451-3460.

[7] DULTSEV F N, KOLOSOVSKY E A. Application of ellipsometry to control the plasmachemical synthesis of thin TiONx layers[J]. Advances in Condensed Matter Physics, 2015, 2015: 1-8.

[8] DULTSEV F N, KOLOSOVSKY E A. Application of ellipsometry to control the plasmachemical synthesis of thin TiONx layers[J]. Advances in Condensed Matter Physics, 2015, 2015: 1-8.

[9] YUAN M, YUAN L, HU Z et al. In Situ Spectroscopic Ellipsometry for Thermochromic CsPbI3 Phase Evolution Portfolio[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124(14): 8008-8014.

[10] 焦杨景.椭偏仪在位表征电化学沉积的系统搭建.云南大学说是论文,2022.

[11] CANEPA M, MAIDECCHI G, TOCCAFONDI C et al. Spectroscopic ellipsometry of self assembLED monolayers: Interface effects. the case of phenyl selenide SAMs on gold[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15(27): 11559-11565. DOI:10.1039/c3cp51304a.

[12] FUJIWARA H, KONDO M, MATSUDA A. Interface-layer formation in microcrystalline Si:H growth on ZnO substrates studied by real-time spectroscopic ellipsometry and infrared spectroscopy[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 93(5): 2400-2409.

[13] FUJIWARA H, TOYOSHIMA Y, KONDO M et al. Interface-layer formation mechanism in (formula presented) thin-film growth studied by real-time spectroscopic ellipsometry and infrared spectroscopy[J]. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 1999, 60(19): 13598-13604.

[14] LEE W K, KO J S. Kinetic model for the simulation of hen egg white lysozyme adsorption at solid/water interface[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2003, 20(3): 549-553.

[15] STAMATAKI K, PAPADAKIS V, EVEREST M A et al. Monitoring adsorption and sedimentation using evanescent-wave cavity ringdown ellipsometry[J]. Applied Optics, 2013, 52(5): 1086-1093.

[16] VIEGAS D, FERNANDES E, QUEIRÓS R et al. Adapting Bobbert-Vlieger model to spectroscopic ellipsometry of gold nanoparticles with bio-organic shells[J]. Biomedical Optics Express, 2017, 8(8): 3538.

[17] ARWIN H. Application of ellipsometry techniques to biological materials[J]. Thin Solid Films, 2011, 519(9): 2589-2592.

[18] ZIMMER A, VEYS-RENAUX D, BROCH L et al. In situ spectroelectrochemical ellipsometry using super continuum white laser: Study of the anodization of magnesium alloy [J]. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2019, 37(6): 062911.

[19] ZANGOOIE S, BJORKLUND R, ARWIN H. Water Interaction with Thermally Oxidized Porous Silicon Layers[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1997, 144(11): 4027-4035.

[20] KYUNG Y B, LEE S, OH H et al. Determination of the optical functions of various liquids by rotating compensator multichannel spectroscopic ellipsometry[J]. Bulletin of the Korean Chemical Society, 2005, 26(6): 947-951.

[21] OGIEGLO W, VAN DER WERF H, TEMPELMAN K et al. Erratum to ― n-Hexane induced swelling of thin PDMS films under non-equilibrium nanofiltration permeation conditions, resolved by spectroscopic ellipsometry‖ [J. Membr. Sci. 431 (2013), 233-243][J]. Journal of Membrane Science, 2013, 437: 312..

[22] BROCH L, JOHANN L, STEIN N et al. Real time in situ ellipsometric and gravimetric monitoring for electrochemistry experiments[J]. Review of Scientific Instruments, 2007, 78(6).

[23] BISIO F, PRATO M, BARBORINI E et al. Interaction of alkanethiols with nanoporous cluster-assembled Au films[J]. Langmuir, 2011, 27(13): 8371-8376.

[24] 李广立. 氧化亚铜薄膜的制备及其光电性能研究[D]. 西南交通大学, 2016.

[25] 董金矿. 氧化亚铜薄膜的制备及其光催化性能的研究[D]. 安徽建筑大学, 2014.

[26] 张桢. 氧化亚铜薄膜的电化学制备及其光催化和光电性能的研究[D]. 上海交通大学材料科 学与工程学院, 2013.

[27] DISSERTATION M. Cellulose Derivative and Lanthanide Complex Thin Film Cellulose Derivative and Lanthanide Complex Thin Film[J]. 2017.

[28] NIE J, YU X, HU D et al. Preparation and Properties of Cu2O/TiO2 heterojunction Nanocomposite for Rhodamine B Degradation under visible light[J]. ChemistrySelect, 2020, 5(27): 8118-8128.

[29] STRASSER P, GLIECH M, KUEHL S et al. Electrochemical processes on solid shaped nanoparticles with defined facets[J]. Chemical Society Reviews, 2018, 47(3): 715-735.

[30] XU Z, CHEN Y, ZHANG Z et al. Progress of research on underpotential deposition——I. Theory of underpotential deposition[J]. Wuli Huaxue Xuebao/ Acta Physico - Chimica Sinica, 2015, 31(7): 1219-1230.

[31] PANGAROV n. Thermodynamics of electrochemical phase formation and underpotential metal deposition[J]. Electrochimica Acta, 1983, 28(6): 763-775.

[32] KAYASTH S. ELECTRODEPOSITION STUDIES OF RARE EARTHS[J]. Methods in Geochemistry and Geophysics, 1972, 6(C): 5-13.

[33] KONDO T, TAKAKUSAGI S, UOSAKI K. Stability of underpotentially deposited Ag layers on a Au(1 1 1) surface studied by surface X-ray scattering[J]. Electrochemistry Communications, 2009, 11(4): 804-807.

[34] GASPAROTTO L H S, BORISENKO N, BOCCHI N et al. In situ STM investigation of the lithium underpotential deposition on Au(111) in the air- and water-stable ionic liquid 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, 11(47): 11140-11145.

[35] SARABIA F J, CLIMENT V, FELIU J M. Underpotential deposition of Nickel on platinum single crystal electrodes[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, 819(V): 391-400.

[36] BARD A J, FAULKNER L R, SWAIN E et al. Fundamentals and Applications[M]. John Wiley & Sons, Inc, 2001.

[37] SCHWEINER F, MAIN J, FELDMAIER M et al. Impact of the valence band structure of Cu2O on excitonic spectra[J]. Physical Review B, 2016, 93(19): 1-16.

 [38] XIONG L, HUANG S, YANG X et al. P-Type and n-type Cu2O semiconductor thin films: Controllable preparation by simple solvothermal method and photoelectrochemical properties[J]. Electrochimica Acta, 2011, 56(6): 2735-2739.

[39] KAZIMIERCZUK T, FRÖHLICH D, SCHEEL S et al. Giant Rydberg excitons in the copper oxide Cu2O[J]. Nature, 2014, 514(7522): 343-347.

[40] RAEBIGER H, LANY S, ZUNGER A. Origins of the p-type nature and cation deficiency in Cu2 O and related materials[J]. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 2007, 76(4): 1-5.

[41] 舒云. Cu2O薄膜的电化学制备及其光电化学性能的研究[D]. 云南大学物理与天文学院，2019.