一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光电材料领域，具体设及一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方 法。
【背景技术】
[0002] 透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透过率的薄膜，该类薄 膜包括金属薄膜、半导体氧化物薄膜等，如在建筑节能锻膜领域锻制透明金属银膜达到低 福射效果，在透明光电子器件制造领域，ITO(锡渗杂=氧化铜）薄膜用于液晶显示器件、 AZO(侣渗杂氧化锋）用于薄膜太阳能电池的透明电极材料。透明导电薄膜材料的光学常数 是反应材料光学性能的本质参数，其中折射率n与材料对光的反射能力相关，消光系数k体 现了材料对光的吸收能力，相同厚度下材料消光系数越大，吸收的光能量越多，相应的透过 率越低，而相同材料在消光系数确定，厚度越大，对光的吸收越多，但面电阻会降低，因此透 明导电薄膜的光性能与电性能相互制约，而实际应用中希望透明导电薄膜达到可见光透过 率更高，同时面电阻更小，因此综合分析薄膜光、电性能对于产品设计、工艺研究有重要意 义。透明导电薄膜材料光学常数的折射率及消光系数能够间接体现材料的电阻率，厚度及 消光系数直接影响到薄膜可见光透过率，因此测量透明导电薄膜光学常数及厚度是进行产 品光、电性能设计的基础。
[0003] 目前，现有技术中对薄膜光学常数的测量可W使用楠偏方法，但楠偏仪设备成本 较高，在使用上专业性也较强，数据分析时间长，而且楠偏方法是利用反射光信号进行分 析，反射光所包含的信息对膜层吸收性能不敏感，因此楠偏方法在分析具有微弱吸收的透 明导电薄膜的光学常数的消光系数存在局限性。另外，材料的电阻率由其载流子浓度和其 运动能力即迁移速率决定，对于金属导体载流子是电子，半导体可W是电子或空穴，透明导 电薄膜的载流子浓度和迁移速率也是评价薄膜微观电性能的重要指标，可W利用霍尔效应 测试仪对其进行测试，但测试过程需要制备特殊尺寸样品，并需要在薄膜表面连接电极，且 测试结果与样品制备及电极连接效果有很大关系，因此不能满足工厂连续、规模生产对产 品性能测试分析的需求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其目的是减少仪器 操作及数据处理过程，快速准确的获得结果。
[0005] 本发明实施例提供了一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，包括W下步 骤：
[0006] (1)测量透明导电薄膜样品的透射光谱及膜面反射光谱，得到实测透射光谱 Tc(A)和实巧U膜面反射光谱Rfc(入）；
[0007] (2)建立包含德鲁得振子和洛伦兹振子的复合振子模型，并对该复合振子模型的 参数及薄膜样品的膜层厚度进行初始设置；
[000引 （3)W复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置为捜索起点，W实测透射光谱 Te(A)和实测膜面反射光谱Rf^A)为捜索依据，进行遗传算法最佳值捜索，得到复合振子 模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，该膜层厚度的最佳值即为所述透明导电薄膜样品 的厚度；
[0009] (4)根据复合振子模型参数的最佳值利用复合振子模型生成最佳复合振子模型， 根据该最佳复合振子模型得到载流子浓度及迁移速率微观电学性能；
[0010] (5)将最佳复合振子模型通过振子-介电常数转换得到最佳介电常数；
[0011] (6)将最佳的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到最佳光学常数，即为所 述透明导电薄膜样品的光学常数。
[001引作为优选，所述实测透射光谱Te(A)和实测膜面反射光谱Rfc(A)为300~ 2500nm波长范围内的透射光谱及膜面反射光谱。
[0013] 作为优选，所述遗传算法最佳值捜索的步骤包括：
[0014] (1)根据复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置生成初始种群，该初始种群 中每个个体对应一组复合振子模型的参数及一个膜层厚度；
[0015] (2)将种群内每个个体对应的复合振子模型通过振子-介电常数转换得到相应的 种群内每个个体对应的介电常数；
[0016] (3)将种群内每个个体对应的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到相应的 种群内每个个体对应的光学常数；
[0017] (4)将种群内每个个体对应的光学常数和相应的膜层厚度通过导纳矩阵光谱计算 方法，得到种群内每个个体对应的模型透射光谱T,(A)及模型膜面反射光谱Rf,(A);
[001引 （5)将种群内每个个体对应的模型透射光谱Tj(A)和模型膜面反射光谱Rfj(入） 与实测透射光谱Te(A)和实测膜面反射光谱Rfc(A)通过评价函数进行比较，若满足遗传 终止条件，则终止遗传过程，满足遗传终止条件的种群内个体所对应的一组复合振子模型 的参数及一个膜层厚度即为复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，若不满足遗 传终止条件，则生成复合振子模型参数及膜层厚度的新种群，并重复步骤（2)至巧），直至 满足遗传终止条件，获得复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值。
[0019] 作为优选，所述复合振子模型是用函数的形式表示的介电常数随波长的变化关 系，包括一个介电常数实部修正参数、一个极振子、一个德鲁得振子和=个洛伦兹振子；所 述介电常数实部修正参数用于衡量在分析范围内介电常数实部的最小值；所述极振子用来 衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收对介电常数实部的影响；所述德鲁得振子用来衡量 由于自由电子在红外光谱频率范围与入射的红外光谱发生共振对介电常数的影响；所述 =个洛伦兹振子分别用来衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收、近紫外-可见光谱区间 的能级跃迁吸收和结构缺陷吸收、可见-近红外光谱区间的结构缺陷吸收对介电常数的影 响。
[0020] 作为优选，所述复合振子模型的函数表达式为
[002。E (E) - ￡1(E) _i ￡2做-E eoffset+ ￡ pole (A。, E。, E) + ￡Drude(e，Ne, E) + ￡Lorentz ，Eni，Bri，E)+eLorentz En2, 6拍，E)+eLorentz(An3) En3) Br3) E)，
[0022] 该函数表达式表示介电常数e随光子能量E的变化关系，光子能量E与波长A的换算关系为E(eV)二1240/A(nm);
[0023] 其中介电常数eW复数形式表示，eI为介电常数的实部，e2为介电常数的虚 部；eWffwt为介电常数实部修正参数；ep"k(A"，E。，巧为极振子，参数A。为该极振子振动 强度、参数E。为该极振子振动中屯、位置；ewN。，巧为德鲁得振子，参数N。为微观性 能载流子浓度，ye为载流子的迁移速率；eLDteM, (A。。E。。Bri,巧、eLDteM, (A"2, 6。2,Br2,巧和 ￡^。《。1,(4。3,6。3,8。，巧为；个洛伦兹振子，4。为振动强度，￡。为振动中屯、位置，6,为振动半 峰宽。
[0024] 作为优选，所述进行初始设置的复合振子模型参数为14个，包括一个介电常数实 部修正参数eWffWt,两个关于极振子的参数A"、E。，两个关于德鲁得振子的参数N。、y。，九个 关于S个洛伦兹振子的参数Aw、6。1、Bfi、A"2、E"2、B,2、A"3、E"3和Br3。
[0025] 作为优选，所述振子-介电常数转换包括W下步骤：
[0026] 将复合振子模型中德鲁得振子介电常数的实部、洛伦兹振子介电常数的实部、极 振子介电常数的实部W及介电常数实部修正参数加和得复合振子模型的介电常数实部；
[0027] 将复合振子模型中德鲁得振子介电常数的虚部和洛伦兹振子介电常数的虚部加 和得复合振子模型的介电常数虚部；
[002引复合振子模型的介电常数的实部和虚部即构成复合振子模型的介电常数。
[0029] 作为优选，所述初始种群和新种群中个体数为30-45个。
[0030] 作为优选，所述评价函数为模型透射光谱Tj(A)和模型膜面反射光谱RfjU) 与实测透射光谱Te(A)和实测膜面反射光谱Rfc(A)之间的均方差MSE，其表达式为
所述遗传终止条件为MSE小于IXlQ-3 或迭代次数为40次。
[0031] 作为优选，所述遗传过程由遗传算法参数进行控制，遗传算法参数包括种群大小、 迭代次数、精英数量和交叉比例，其中种群大小为30-40个，迭代次数为25-40次，精英数量 不小于3个且不大于种群大小的一半，交叉比例为0.2-0. 8。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0033] 1、本发明根据透明导电材料的特点，建立W德鲁得振子为核屯、、结合洛伦兹振子 的复合振子模型，利用德鲁得振子模型分析透明导电薄膜在红外光谱区间所体现的光、电 性能，利用洛伦兹振子模型分析由于紫外-可见光谱范围膜层微观结构缺陷、能带跃迁产 生的光学特征，从而对实际生产的透明导电薄膜进行全光谱范围的光、电性能分析；
[0034] 2、本发明同时利用透明导电薄膜的透射光谱和膜面反射光谱分析透明导电薄膜 的光、电性能，更能体现膜层本质的光学特征，其中利用透射光谱可W很好的体现透明导电 薄膜的吸收性能，避免了楠偏测量方式在利用反射光时对吸收性能不敏感的问题，同时利 用膜面反射光谱避免了由于建筑浮法玻璃的吸收对结果分析的影响；
[0035] 3、本发明利用分光光度计测量透明导电薄膜的透射光谱及膜