Ellipsometry based spectroscopic complex for rapid assessment of the Bi2Te3-xSexthin films composition

• Autorzy: Kovalev Vladimir , Uvaysov Saygid , Bogucki Marcin

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.2855

Warianty tytułu

PL

Elipsometryczny system spektroskopowy do szybkiej oceny składu cienkich warstw Bi2Te3-xSex

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A comparative analysis of the current state and development of spectral ellipsometry (SE) is carried out, the main limitations typical of popular configurations of measuring devices are determined. An original technical solution is proposed that allows one to create a two-source SE that implements the ellipsometry method with switching orthogonal polarization states. The measuring setup provides high precision of measurements of ellipsometric parameters Ψand Δin the spectral range of 270–2200 nm and the speed determined by the characteristics of pulsed sources with a simple ellipsometer design.As objects for experimental researches, confirming the efficiency and high precision qualities of the fabricated SE, we used a GaAs/ZnS-quarter-wave device for a CO2laser and SiO2on Si calibration plates. The optical properties of Bi2Te3-xSexfilms were investigated in the range of 270–1000 nm using a multi-angle SE. It was shown that the optical properties of Bi2Te3-xSexfilms monotonically change depending on the ratio of selenium and tellurium.

PL

W artykule najpierw dokonano analizy porównawczej obecnego stanu rozwoju elipsometriispektroskopowej oraz określono główne ograniczenia typowe dla popularnych konfiguracji urządzeń pomiarowych. Zaproponowano oryginalne rozwiązanie techniczne pozwalające na stworzenie dwuźródłowego elipsometu spektroskopowego z przełączaniem ortogonalnych stanów polaryzacji. Układ pomiarowy zapewnia wysoką precyzję pomiarów parametrów elipsometrycznych Ψ i Δ w zakresie spektralnym 270–2200 nm i prędkości wyznaczonej przez charakterystyki źródeł impulsowych przy prostej konstrukcji elipsometru. Jako obiekty do badań eksperymentalnych potwierdzających wydajność i wysoką precyzję proponowanego elipsometu spektroskopowego, wykorzystano ćwierćfalowy przyrząd GaAs/ZnS dla lasera CO2oraz płytki kalibracyjne SiO2na krzemie. Właściwości optyczne warstw Bi2Te3-xSexzbadano w zakresie 270–1000 nm przy użyciu wielokątowego elipsometu spektroskopowego. Wykazano, że właściwości optyczne cienkich warstw Bi2Te3-xSexzmieniają się monotonicznie w zależności od stosunku zawartości selenu i telluru.

Słowa kluczowe

EN

thin films; optical properties; spectroscopy; Fourier transform; ellipsometry; polarimetry; optics on surfaces; instrumentation; measurement and metrology

PL

cienka warstwa; właściwości optyczne; spektroskopia; transformata Fouriera; elipsometria; polarymetria; optyka cienkowarstwowa; oprzyrządowanie; pomiary i metrologia

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 11, nr 4
• Strony: 67--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kovalev Vladimir

• MOCVD Semiconductor Growth Laboratory, Kotelnikov Institute of Radio-Engineering and Electronics of RAS, Fryazino, Russia

• https://orcid.org/0000-0003-3570-393X

autor

Uvaysov Saygid

• MIREA –Russian Technological University,Moscow,Russia

• https://orcid.org/0000-0003-1943-6819

autor

Bogucki Marcin

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5296-3827

Bibliografia

• [1] Acher O., Bigan E., Drévillon B.: Improvements of phase-modulated ellipsometry. Rev. Sci. Instrum. 60, 1989 [http://doi.org/10.1063/1.1140580].
• [2] Alonso M. I., Garriga M.: Optical properties of semiconductors. Springer International Publishing Vol. 212, 2018.
• [3] Aspnes D. E.: Spectroscopic ellipsometry — Past, present, and future. Thin Solid Films 571, 2014, 334–344 [http://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.03.056].
• [4] Azzam R. M. A.: Photopolarimetric measurement of the Mueller matrix by Fourier analysis of a single detected signal. Opt. Lett. 2, 1978, [http://doi.org/10.1364/ol.2.000148].
• [5] Collins R. W., Koh J.: Dual rotating-compensator multichannel ellipsometer: instrument design for real-time Mueller matrix spectroscopy of surfaces and films. Journal of the Optical Society of America A 16, 1999, 1997 [http://doi.org/10.1364/JOSAA.16.001997].
• [6] Fujiwara H.: Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications. John Wiley and Sons, 2007.
• [7] Furchner A., Walder C., Zellmeier M., Rappich J., Hinrichs K.: Broadband infrared Mueller-matrix ellipsometry for studies of structured surfaces and thin films. Appl. Opt. 57, 2018, 7895 [http://doi.org/10.1364/AO.57.007895].
• [8] Garcia-Caurel E., de Martino A., Drévillon B.: Spectroscopic Mueller polarimeter based on liquid crystal devices. Thin Solid Films 455–456, 2004, 120–123 [http://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.12.056].
• [9] Garcia-Caurel E., de Martino A., Gaston J.-P., Yan L.: Application of Spectroscopic Ellipsometry and Mueller Ellipsometry to Optical Characterization. Applied Spectroscopy 67, 2013, 1–21 [http://doi.org/10.1366/12-06883].
• [10] Hinrichs K., Eichhorn K. J., Ertl G., Mills D. L., Lüth H.: Ellipsometry of Functional Organic Surfaces and Films. Springer Series in Surface Sciences Vol. 52, Berlin, Heidelberg, 2014.
• [11] Kovalev V. I., Rukovishnikov A. I., Kovalev S. V., Kovalev V. V., Rossukanyi N. M.: An achromatic four-mirror compensator for spectral ellipsometers. Opt. Spectrosc. 123, 2017 [http://doi.org/10.1134/S0030400X1707013X].
• [12] Kovalev V. I., Rukovishnikov A. I., Kovalev S. V., Kovalev V. V.: An LED multichannel spectral ellipsometer with binary modulation of the polarization state. Instruments and Experimental Techniques 57, 2014 [http://doi.org/10.1134/S002044121405008X].
• [13] Kovalev V. I., Rukovishnikov A. I., Kovalev S. V., Kovalev V. V.: LED broadband spectral ellipsometer with switching of orthogonal polarization states. J. Opt. Technol. 2016, 83, 181 [http://doi.org/10.1364/JOT.83.000181.
• [14] Kovalev V. V., Kuznetsov P. I., Yakushcheva G. G., Yapaskurt O. V., Kovalev V. I., Rukovishnikov A. I., Kovalev S. V.: MOVPE deposition and optical properties of thin films of a Bi2Te3-xSex topological insulator. J. Phys. Conf. Ser. 1199, 2019, 012038 [http://doi.org/10.1088/1742-6596/1199/1/012038].
• [15] Kovalev, V.I., Rukovishnikov, A.I., Rossukanyi, N.M., Kovalev, S. V., Kovalev, V. V., Amelichev, V. V., Kostyuk, D. V., Vasil’ev, D. V., Orlov, E. P. LED magneto-optical ellipsometer with the switching of orthogonal polarization states. Instruments and Experimental Techniques 59, 2016, 707–711 [http://doi.org/10.1134/S0020441216040084].
• [16] Kroning A., Furchner A., Aulich D., Bittrich E., Rauch S., Uhlmann P., Eichhorn K. J., Seeber M., Luzinov I., Kilbey S. M., et al.: In Situ Infrared Ellipsometry for Protein Adsorption Studies on Ultrathin Smart Polymer Brushes in Aqueous Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 2015, 12430–12439 [http://doi.org/10.1021/am5075997].
• [17] Li K., Wang S., Wang L., Yu H., Jing N., Xue R., Wang Z.: Fast and Sensitive Ellipsometry-Based Biosensing. Sensors 18, 2017, 15 [http://doi.org/10.3390/s18010015].
• [18] Losurdo M., Bergmair M., Bruno G., Cattelan D., Cobet C., de Martino A., Fleischer K., Dohcevic-Mitrovic Z., Esser N., Galliet M., et al.: Spectroscopic ellipsometry and polarimetry for materials and systems analysis at the nanometer scale: State-of-the-art, potential, and perspectives. J. Nanoparticle 11, 2009, 1521–1554 [http://doi.org/10.1007/s11051-009-9662-6].
• [19] de Martino A., Kim Y.-K., Garcia-Caurel E., Laude B., Drévillon B.: Optimized Mueller polarimeter with liquid crystals. Opt. Lett. 28, 2003, 616 [http://doi.org/10.1364/OL.28.000616].
• [20] Schmidtling T., Pohl U. W., Richter W., Peters S.: In situ spectroscopic ellipsometry study of GaN nucleation layer growth and annealing on sapphire in metal-organic vapor-phase epitaxy. J. Appl. Phys. 98, 2005, [http://doi.org/10.1063/1.1999033].
• [21] Tompkins H. G., Irene E. A.: Handbook of Ellipsometry. William Andrew Publishing, 2005.
• [22] Yim C., O’Brien M., McEvoy N., Winters S., Mirza I., Lunney J. G., Duesberg G. S.: Investigation of the optical properties of MoS2 thin films using spectroscopic ellipsometry. Applied Physics Letters 104, 2014 [http://doi.org/10.1063/1.4868108]