Depolarizációs források és hatásuk vékonyrétegek spektroszkópiai ellipszometriai vizsgálatára. Doktori (Ph. D.) értekezés. Szerző: Pápa Zsuzsanna

Átírás

1 Depolarizációs források és hatásuk vékonyrétegek spektroszkópiai ellipszometriai vizsgálatára Doktori Ph. D. értekezés zerző: Pápa Zsuzsanna Témavezetők: Dr. Buai Juit tuományos munkatárs Dr. Tóth Zsolt tuományos főmunkatárs Fizika Doktori Iskola Fizikai Intézet ZTE-TTIK zege 17

2 TARTALO Tartalom 1. Bevezetés Tuományos előzmények pektroszkópiai ellipszometria Az ellipszometria mérési elve A mért aatok kiértékelése oellalkotás A kiértékelés bizonytalanságát csökkentő mószerek Depolarizáció Az ellipszometriában előforuló epolarizációs források Különböző epolarizációs források leírása üller-mátrix formalizmus segítségével Célok ószerek intakészítés intakarakterizálás Ellipszometriai mérések, hibaforrások Az ellipszometriát kiegészítő mérési mószerek Raman-spektroszkópia Pásztázó elektronmikroszkópia Atomi erő mikroszkópia Eremények Különböző kvázi-epolarizációs források általános jellemzőinek összevetése Depolarizáció vizsgálata grafén és szén vékonyrétegek esetén A termálisan növesztett io rétegek epolarizációs tulajonságai Depolarizáció csökkenése a szénréteggel bevont minták esetén A minták ellipszometriai kiértékelése Grafén rétegek kiértékelése A PLD-vel előállított szénrétegek ellipszometriai kiértékelése... 48

3 TARTALO 5..4 A fejezethez kapcsolóó téziseim ZnO vékonyrétegek ellipszometriai vizsgálata Kvázi-epolarizáció és véletlenszerű epolarizáció együttes megjelenése A véletlenszerű epolarizáció különválasztására alkalmazható korrekciós eljárás megaása Az ellipszometriai spektrumok kiértékelése A fejezethez kapcsolóó tézisem Pepti vékonyrétegek ellipszometriai vizsgálata A pepti rétegekre alkalmazott ellipszometriai moellek Átlátszó réteg Abszorbeáló réteg zigetes réteg A pepti réteg leírására alkotott moellek összehasonlítása Abszorbancia mérések AF vizsgálatok A moellek látszólagos ekvivalenciájának iszkussziója A fejezethez kapcsolóó téziseim agyar nyelvű összefoglalás Angol nyelvű összefoglalás aját publikációk Tézispontokhoz kötőő publikációk Egyéb publikációk Köszönetnyilvánítás Iroalomjegyzék

4 1. BEVEZETÉ 1. Bevezetés A minennapi életünk elengehetetlen kellékei a 1. százaban a horozható elektronikai eszközök. Ezek közös jellemzője, hogy integrált áramkörökből épülnek fel. Az integrált áramkörök gyártása során átlagosan 1 monitorozási lehetőséget iktatnak be a gyártósorba, amelyek kb. 8%-ához a spektroszkópiai ellipszometriát hívják segítségül. Kétségtelen tehát, hogy életünk során közvetetten minannyian számtalanszor találkozunk az ellipszometriával, még ha nem is töltöttünk el annyi iőt az ellipszométer mellett, mint a olgozat szerzője [1, ]. A spektroszkópiai ellipszometria egy optikai vizsgálati mószer, amely azon a jelenségen alapul, hogy aott mintáról visszaverőő fény polarizációs állapota a mintára jellemző móon megváltozik. Ez lehetőséget biztosít arra, hogy a visszavert fény polarizációs állapotából következtetni tujunk a mintát felépítő horozó, illetve vékonyrétegek optikai és szerkezeti tulajonságaira rétegek sorrenje és vastagsága, rétegek belső szerkezete. Az eljárás alapjait a vizsgáló fény hullámhosszánál kisebb vastagságú réteggel bevont horozó esetén Paul Drue már az 18-as évek végén kiolgozta [3, 4], azonban a mószer inirekt volta a mért aatokból nem lehet közvetlenül megkapni a minta jellemzőit olyan számolási és moellezési igényeket támasztott, amelyhez szükséges technológia igazán csak az 199-es évekre vált elérhetővé. A spektroszkópiai ellipszometria így széles körben ezután terjet el [5]. A mószer min méréstechnikai szempontból, min peig a moellezési eljárások terén azóta is folyamatosan fejlőik, így a hagyományos felhasználási területek mellett pl. mikroelektronikai ipar [6, 7] egyre inkább előtérbe került a biológiai anyagok [8, 9], anizotróp anyagok [1, 11], vagy a manapság egyre szélesebb körben elterjeő D anyagok ellipszometriai vizsgálata is [1, 13], akár valósiejű mérések során [14]. A méréstechnika fejlőése tette lehetővé, hogy az ellipszometriai kiértékelésben általában feltételezett tiszta polarizációs állapotú vizsgáló fény mellett a kevert polarizációs állapotú fény tulajonságai is megfelelően etektálhatóak legyenek [15-17]. Ha a mintáról visszavert fény a minta, vagy a mérőeszköz egyes tulajonságai folytán kevert polarizációs állapotúvá válik, akkor epolarizáció fellépéséről beszélünk. Ha a epolarizációt nem ismerjük, és ezért nem vesszük figyelembe a mért aatok kiértékelése során, az számos hibaforrást tartogat az egyébként nagy pontosságú ellipszometriai mérésben. A olgozatomban bemutatott eremények az ellipszometriában fellépő epolarizációhoz 4

5 1. BEVEZETÉ kapcsolónak. Ismertetni fogom az előforuló epolarizációs forrásokat, amelyek közül többet saját ereményeimen keresztül alaposabban is bemutatok. egmutatom, hogy a epolarizáció mérésével milyen mintatulajonságokról nyerhetünk információt, és ez milyen móon lehet segítségünkre az ellipszometriai kiértékelés során, valamint, hogy a epolarizáció elhanyagolása milyen kiértékelési hibákra, pontatlanságokra vezet. 5

6 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK. Tuományos előzmények A oktori isszertációmban bemutatanó eremények közös pontja a spektroszkópiai ellipszometria, azon belül is az ellipszometriai mérések során jelentkező epolarizáció. A következő fejezetben így az ellipszometria és a epolarizáció témaköréhez kapcsolóó alapvető ismereteket, valamint a kutatásaim alapjául szolgáló korábbi ereményeket ismeretem..1 pektroszkópiai ellipszometria Az ellipszometria olyan optikai vizsgálati mószer, amelynél a mért aatokból nem kapjuk meg közvetlenül a minta meghatározni kívánt tulajonságait, el kell végeznünk egy tapasztalatot igénylő kiértékelési eljárást. A mérési elv bemutatása után így azt mutatom meg, hogy a mért aatokból milyen lépéseken keresztül juthatunk el a minta keresett tulajonságaihoz. Végül ismertetem a moellalkotást, és a kiértékelés pontosságát növelő mószereket..1.1 Az ellipszometria mérési elve Ellipszometriai mérés során a vizsgálanó mintára ismert polarizációs állapotú fénysugarat bocsátunk, amelynek a visszaverőés során megváltozott polarizációs állapotát etektáljuk. A polarizációs állapot megváltozását a minta optikai viselkeése és szerkezete fogja megszabni a Fresnel-egyenleteken keresztül, így ellipszometriai méréssel ezekről a mintatulajonságokról kaphatunk információt [18]. A megváltozott polarizációs állapot etektálása többféle mérési elrenezésben lehetséges a null-ellipszométerektől egészen a legmoernebb két forgó kompenzátoros típusokig. Én a méréseimhez egy egyetlen forgó kompenzátort tartalmazó ellipszométert alkalmaztam, így a olgozatban ennek a bemutatására szorítkozom. A forgó kompenzátoros ellipszométer sematikus rajzát az 1. ábra mutatja. 6

7 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK 1. ábra: A forgó kompenzátoros ellipszométer sematikus ábrája. Az ábrán jelöltem a polarizációs állapot iőbeli változását az egyes optikai elemek után, valamint a etektoron mérhető intenzitást. A megvilágításhoz használt xenon lámpa fényének polarizációs állapotát a minta előtt a fényútban elhelyezett polarizátor, illetve kompenzátor az egyes lineárisan poláros komponensek között fáziskülönbséget előiéző optikai elem segítségével tetszőlegesen tujuk változtatni. ivel a mérés során a kompenzátor forog, így a mintát megvilágító fény polarizációs állapota iőben változik. A minta után lévő analizátor rögzített helyzetben áll, így a etektoron mérhető intenzitás attól fog függeni, hogy fény visszaverőés utáni polarizációs állapota hogyan viszonyul az analizátor által kijelölt polarizációs irányhoz. ivel a megvilágító nyaláb polarizációs állapota iőben perioikusan változik, így a mintát elhagyó nyaláb polarizációja is perioikusan fog változni, ami az analizátoron való áthalaás után a etektoron perioikus intenzitásváltozást ereményez. Ennek a perioikus jelnek a Fourieranalíziséből tujuk a szükséges, polarizációs állapotra jellemző mennyiségeket meghatározni [5, 19]. ivel spektroszkópiai mószerről beszélünk, fontos megemlíteni a fény etektor előtti spektrális bontását, amely az általunk használt készülékben optikai rácsos elrenezéssel valósul meg []. Tiszta polarizációs állapotok legegyszerűbb leírásához az elektromos térerősséget két, egymásra merőleges komplex komponensre bontjuk a komplex formalizmus miatt ezek a mennyiségek fázisjellemzőket is horoznak: a beeső és a visszavert fénysugár által kijelölt síkkal párhuzamos komponens a p-polarizációs irányhoz tartozik, az erre merőleges komponens peig az s-polarizációs irányhoz. A komponensek amplitúó aránya és fázisviszonyai határozzák meg a polarizációs állapotot. Az ellipszométer ezen két kitüntetett polarizációs irányhoz tartozó komplex reflexiók arányát méri, amelyeket a mintán történő visszaverőés utáni és előtti térerősség komponensek hányaosaként efiniálunk. A vizsgált 7

8 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK mintára jellemző komplex reflexiós együttható értékét ρ a következő kifejezésből kaphatjuk meg: ahol R ~ pp és R ~ ss E ~ pk, E ~ pb, E ~ sk, ~ R ~ R pp ss ~ E ~ E pk sk ~ / E ~ / E pb sb a p- és s-polarizációs állapothoz tartozó komplex reflexiós együtthatók; E ~ sb, peig renre a p-polarizációs állapothoz tartozó, a mintáról ki-, illetve arra belépő, valamint az s-polarizációs állapothoz tartozó ki- és belépő komplex térerősség komponensek. A komplex reflexiós együtthatót az ellipszometriában a térerősség komponensek változása helyett két szöggel Ψ és Δ szokás megani, amelyekkel ρ értéke az ellipszometria alapegyenlete alapján aóik: i tg e, ahol tgψ a p- és az s-polarizált térerősség komponensek relatív amplitúó aránya, Δ peig a p- és az s-polarizált komponensek relatív fáziskülönbsége..1. A mért aatok kiértékelése Az ellipszometriai mérésből a minta szerkezetéről és a mintát felépítő anyagok optikai viselkeéséről szeretnénk információt kapni. Ez azt jelenti, hogy a törésmutatót n és extinkciós együtthatót k illetve az ezekből képzett komplex törésmutatót, vagy ezzel analóg móon a ielektromos függvény valós és képzetes részét 1 és szeretnénk meghatározni a hullámhossz fotonenergia függvényében. A törésmutató és a ielektromos állanó között a következő összefüggések állnak fenn: ~ i 1 n ~ n i k ~ n A mért aatokból tömbanyagoknál, illetve ismert optikai viselkeésű tömbanyagon elhelyezkeő átlátszó vékonyréteg esetén lehet közvetlenül kiszámolni a keresett aatokat tömbanyag optikai függvényei, vékonyréteg törésmutatója és vastagsága. A tömbanyagoknál alkalmazott számolás más esetekben, összetettebb minták esetén is elvégezhető, azonban ekkor az egyes rétegek optikai aatai helyett a teljes renszerre jellemző, úgynevezett pszeuo optikai aatokat kapjuk ereményül [18, 1]. Ahhoz, hogy az ~ 8

9 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK egyes rétegek jellemzőit feleríthessük, moelleznünk kell a minta felépítését és optikai jellemzőit. Ennek részleteit a.1.3 fejezetben ismertetem. A moell felépítése után következik a moellrenszeren számolt és spektrumok összevetése a mért aatokkal. Ekkor egy illesztési eljárás folyamán az optikai függvények paramétereit és a rétegvastagságokat aig hangoljuk, amíg a számolt ellipszometriai spektrumok a mérteket minél jobban megközelítik. A mért és illesztett görbék átfeését, azaz az illesztés jóságát az átlagos négyzetes eltérés ean quare Error, E paraméter segítségével jellemezhetjük []: E 1 N L N i1 sz i i i m sz i i m i, ahol L az illesztési paraméterek száma, N peig a mért aatpontok száma az előforuló hullámhosszak/fotonenergiák száma a spektrumban. A és esetén a sz és m inexekkel renre a számolt és mért értékeket jelöltem. és a szórás értékek a -re és -ra vonatkozóan, amelyek lehetővé teszik, hogy a kisebb bizonytalansággal jellemezhető értékeket nagyobb súllyal vegyük figyelembe a kiértékelés során. Az illesztésnél tehát az E minimalizálására törekszünk, azaz aig változtatjuk a moell paramétereit, amíg az E egy globális minimum értéket vesz fel. egfelelő illeszkeés esetén a vizsgált minta keresett tulajonságait a moellrenszer jellemzőivel azonosíthatjuk. Azt, hogy a mért aatokat mennyire tujuk megközelíteni a számolt görbékkel, nagyon sok tényező befolyásolja; többek között a mérési zaj, a minta összetettsége, vagy az, hogy az alkalmazott moell mennyire felel meg a minta tényleges tulajonságainak. Az illesztést jellemző E értékeket minen vizsgált minta esetén bemutatom, fontos azonban megjegyezni, hogy a jó illeszkeés, azaz a kis értékű E paraméter önmagában nem tuja egyértelműen alátámasztani azt, hogy alkalmazott moell helyesen írja-e le a mintánk tulajonságait, így a legtöbb esetben független mószerek ereményeit is felhasználom az ellipszometriai moellek helyességének igazolására..1.3 oellalkotás pektroszkópiai mószer lévén a mintánkat alkotó anyagok optikai viselkeését nem tujuk egy értékkel jellemezni, hanem az optikai függvények iszperziójának a figyelembe vétele is elengehetetlen. Egyszerű olgunk van, ha jól efiniált anyaggal olgozunk pl. i 9

10 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK horozó, mert ekkor általában használhatjuk a korábban mért iroalmi, tabulált aatsorokat az optikai jellemzők leírására. A legtöbb esetben azonban matematikai függvényekkel tujuk közelíteni a vizsgált anyagok iszperzióját. Ekkor a ielektromos állanó képzetes részét efiniáljuk, tulajonképpen az abszorpciós sávok függvényekkel történő közelítésével, ebből a valós részt peig a Kramers Kronig-integrál segítségével számolhatjuk ki [3]: E E 1 E 1 P E, E E ahol integrálási konstans, mely a ielektromos állanó valós részét írja le nagy fotonenergiákon, E és E fotonenergia elektronvoltokban, P az integrál főrészét jelöli. Legtöbbször azonban már az alkalmazott moell analitikus formulája megaja a valós részt, így nincs szükség a numerikus integrálás elvégzésére. A következőkben a olgozatban vizsgált anyagok optikai függvényeinek közelítéséhez általam használt matematikai összefüggéseket veszem sorra. A vizsgált fotonenergia-tartományon átlátszó anyagoknál a törésmutató iszperzióját az ezen a tartományon kívüli abszorpciós sávok határozzák meg. A tartományon kívül eső abszorpciós sávok hatását a ellmeier-féle iszperziós relációval moellezhetjük, amelynek a olgozatban használt efiníciója a következő [4]: An 1 E n E E E E n1 n A ellmeier-féle iszperziós moellben két pólus szélesség nélküli abszorpciós sáv helyezkeik el a vizsgált tartományon kívül, amelyek amplitúójának A n és helyzetének E n hangolásával tujuk változtatni a törésmutató iszperzióját. A függvény konstans eltolását az konstans biztosítja, amely ebben az esetben is a ielektromos állanó valós részét írja le nagy fotonenergiákon. A ellmeier-moell Kramers Kronig-konzisztens, azaz biztosak lehetünk benne, hogy megfelelő alkalmazása esetén amikor a pólusok a vizsgált fotonenergia-tartományon kívül helyezkenek el és az amplitúójuk pozitív a törésmutató normális iszperziót követ [5, 6]. Az egyszerűbb és szélesebb körben alkalmazott Cauchyformula [7] esetén ez nincs garantálva. Abszorbeáló anyagok esetén a vizsgált hullámhossztartományon is efiniálnunk kell abszorpciós sávokat. Erre több lehetőség van, leggyakrabban az oszcillátor moelleket szokás használni. Az egyik legelterjetebb és legrégebben alkalmazott moell a Lorentz-oszcillátor 1

11 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK moell, amely az elektromágneses térben kényszerített harmonikus rezgést végző elektronok mozgásához renelt polarizációból származtatja a ielektromos állanót. A moell klasszikus mechanikai alapokon nyugszik levezethető az iőfüggő elektromágneses térben harmonikus erő által megkötött elektronok mozgásegyenletéből, ugyanakkor kvantummechanikai meggonolások alapján is igazolható [8]. A Lorentz-moell általam használt alakja a következő [4]: AL BrL EL L E, E E ibr E L ahol A L az oszcillátor amplitúója, amely az elektron töltésével, tömegével az elektronok koncentrációjával van kapcsolatban, E L az oszcillátor energiája ami a rezonanciához tartozó frekvencia a klasszikus mechanikai moellben, tulajonképpen az elektronátmenethez tartozó energiának felel meg, Br L a csillapításra jellemző állanó, ami az oszcillátor szélességét aja meg elektronvolt egységekben, E peig a fotonenergia szintén elektronvoltban. L A Lorentz-moell határesetének tekinthető a Drue-moell, amely a fémekre jellemző infravörös tartományba eső abszorpciót írja le. atematikai alakja annyiban tér el a Lorentzmoelltől, hogy a leírás csak a szabaelektronok járulékát tartalmazza, így az elektronok kötött mozgásához renelt frekvenciát nullának tekintjük [8]. Ez azt jelenti, hogy az oszcillátor pozícióját jellemző fotonenergia is nullával egyenlő E D = ev. A Drue-moell kiértékelések során használt alakja tehát: AD BrD D E, E ibr E ahol A D az oszcillátor amplitúója, Br D a szélesség és E a fotonenergia elektronvoltban. D A Gauss-oszcillátor moell a ielektromos állanó képzetes részében egy Gausseloszlású abszorpciós sávot ír le: ln Br G EE ln EE G G E A e A e, G G G ahol A G, a Gauss-eloszlás amplitúója, Br G és E G a szélessége és pozíciója elektronvolt egységekben. A Gauss-oszcillátor moell a Lorentz-oszcillátorhoz hasonló paraméterekkel jellemezhető, amelyek fizikai jelentése is megegyezik, egyeül az oszcillátorok alakja tér el kismértékben. A Gauss-oszcillátor azonos paraméterek választása esetén nagyobb félértékszélességgel jellemezhető, viszont gyorsabban lecseng a központi energiától Br G 11

12 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK távolova, mint a Lorentz-alakú abszorpciós sáv. Így a vizsgált anyag optikai jellemzői öntik el, hogy melyik alakkal lehet pontosabb leírást ani [9]. A bonyolultabb, strukturáltabb optikai függvényekkel jellemezhető anyagok esetén ezekből az oszcillátorokból többet is tetszőlegesen össze lehet ani a finomstruktúrák pontosabb leírása érekében, azonban az spektrum nagyon éles változásait még gyakran ekkor sem lehet megfelelően moellezni. Ennek a pontatlanságnak a kiküszöbölésére az oszcillátor moellek mellett az elmúlt évtizeben megjelentek az úgynevezett kritikus pont moellek [3, 31]. Ezek a sávszerkezetben megjelenő kritikus pontok környezetére jellemző gyors változásokat írják le a ielektromos függvényben. íg az oszcillátor moellek paraméterei legtöbbször fizikai jelentéssel is bírnak, a kritikus pont moellek parametrizált polinom-függvények, amelyeknél a flexibilitáson van a hangsúly. Dolgozatomban a Psemi- elnevezésű kritikus pont moell alkalmaztam. Ennek a tulajonságai 6 illesztési paraméterrel hangolhatók: A amplitúó, Br szélesség, E oszcillátor energiája, inf ielektromos állanó nagy fotonenergiákon, PR és WR polinomiális paraméterek. Az oszcillátor alakját gyakorlatilag 3 köztes ponthoz rögzített 4 polinom összeillesztésével kapjuk, így nagyon rugalmasan hangolható, viszont pont emiatt nem igazán lehet a kapott paraméterekhez fizikai jellemzőket társítani [4]. A vizsgált minta optikai függvényének parametrizálására a további lehetőséget az effektív közeg közelítés Effective eium Approximation - EA [3] olyan esetekben, amikor a vizsgált tömbanyag vagy réteg nem egy anyagból épül fel, hanem különböző anyagok keveréke. Ezek a különböző anyagok lehetnek klasszikus kompozitoknál az egyes alkotóelemek, e pélául porózus, vagy felületi érességgel renelkező minták esetén a minta anyaga és levegő. Az effektív közeg közelítés akkor alkalmazható, ha az összetevők mérete jóval kisebb, mint a vizsgáló fény hullámhossza, viszont elég nagy ahhoz, hogy a tömbi optikai aatokkal legyenek jellemezhetők. Ekkor az effektív ielektromos függvény az alkotók ielektromos függvényéből a és b és a térfogatarányokból f a és f b a következő móon számolható a Clausius osotti-féle összefüggést felhasználva [5]: k a k b k f a fb, k a k b k 1

13 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK ahol k a környező anyag ielektromos függvénye. Ha az alkotók közel azonos térfogatarányban vannak jelen és a környező teret kitöltő anyag elhelyezkeése véletlenszerű, akkor élhetünk az = k választással, amely révén a Bruggemann-féle EA efinícióját kapjuk: f a a 1 f a a b A felületi éresség leírására jól alkalmazható ez a formalizmus, ahol a réteg anyagát levegővel keverve efiniáljuk az éresség réteg optikai aatait. Az ellipszométerrel ily móon meghatározott, érességre jellemző paraméterek atomi erő mikroszkóppal közvetlenül valiálhatók [33, 1]. b.1.4 A kiértékelés bizonytalanságát csökkentő mószerek Az ellipszometriai mérés során minig arra törekszünk, hogy a lehető legtöbb információt nyerjük a vizsgált mintáról. Ha a réteget alkotó ismeretlen anyag egyszerre több különböző horozón is renelkezésre áll, vagy ugyanolyan mintaszerkezetben, e eltérő vastagságokkal jellemezhető mintasor formájában tujuk vizsgálni, akkor csatolt, többmintás kiértékelésre az angol terminus szerint ún. multisample analysis kiértékelésre van móunk [6, 34, 35]. Ekkor ugyanis feltételezhetjük, hogy a vizsgálanó anyag bizonyos tulajonságai megegyezek a különböző minták esetén. Ilyenkor több mérési aatsort egyszerre értékelünk ki, egyetlen közös E értékkel jellemezve azokat, miközben egyes paramétereket csatolhatunk, azaz úgy állíthatunk be, hogy azok azonos móon hangolójanak minen mérés kiértékelésénél. zintén a mérésből származó információ mennyiségét növelhetjük akkor, ha a vizsgált vékonyréteget egy vastag, jól ismert ielektrikum rétegre visszük fel az ún. interferencia erősítés mószerét alkalmazva. Ezt a mószert abszorbeáló vékonyrétegek vizsgálatára olgozták ki [36, 37]. ivel a polarizációs állapot megváltozását a réteg aljáról és tetejéről visszaverőő nyalábok optikai úthossz-különbsége =n, ahol n a törésmutató, peig a rétegvastagság fogja megszabni, így az optikai jellemzők és a rétegvastagság korrelált mennyiségek lehetnek. Ez a korreláció 1 nm alatti vékonyrétegeknél a kiértékelés pontatlanságát okozhatja, főleg, ha abszorbeáló vékonyrétegről van szó, amely esetén a törésmutató mellett az extinkciós együttható is az ismeretlenek számát növeli. A korreláció alapvető oka az, hogy ebben a vastagságtartományban a rétegvastagság nem elegenő ahhoz, 13

14 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK hogy jelentősen megváltoztassa a rétegben halaó résznyaláb fázisát, így a mért aatok kevesebb információt horoznak a rétegről, amelynek tulajonságai így csak nagyobb bizonytalansággal határozhatóak meg. Az érzékenységet ebben az esetben a több beesési szögnél elvégzett mérés sem növeli meg, ahogy azt a. a ábrán láthatjuk szilícium horozóra felvitt vékony =8 nm szénréteg esetén.. ábra: a zilícium horozón elhelyezkeő 1 nm alatti rétegvastagságú szénréteg ellipszometriai spektruma. A b esetben a szén és a i horozó között egy 515 nm vastag io réteg helyezkeik el saját mérések. Ezzel szemben, ha a vizsgált abszorbeáló vékonyréteget egy jól ismert, vastag ielektrikum rétegre visszük fel, akkor az ellipszometria érzékenysége növelhető. Erre a célra gyakran alkalmazott anyag a io, mivel egyszerűen előállítható termális úton, stabil és ellipszometriai viselkeését tekintve is jól ismert anyag [1, 38-4]. A vastag ielektrikum réteg megnöveli az optikai úthossz-különbséget a résznyalábok között, és ez a különbség eltérő beesési szögek esetén eltérő lesz. A. b ábra azt az esetet mutatja, amikor a vékony szénréteg 515 nm vastag io rétegen helyezkeik el. A különböző beesési szögeknél mért aatsorok éles elkülönülése mellett azt is megfigyelhetjük, hogy a mért aatsor jól efiniált interferencia oszcillációkat tartalmaz. Ez a struktúra a ielektrikum réteg vastagságával van összefüggésben minél vastagabb a réteg, annál sűrűbbek az oszcillációk, és ezen oszcillációk helyzetét és amplitúóját csak abban az esetben írja le megfelelően a moell alapján számolt spektrum, ha min az optikai tulajonságok, min peig a rétegvastagság helyes. 14

15 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK. Depolarizáció Általánosságban feltételezzük, hogy a mintát elhagyó fény jól efiniált, tiszta polarizációs állapottal jellemezhető, amelyet kizárólag az befolyásol, hogy az aott mintaszerkezetet leíró reflexiós együtthatók értéke milyen mértékben térnek el a p- és s- polarizációs irányokra. Bizonyos esetekben azonban nem tekinthetünk el attól, hogy a minta, illetve az egyes optikai elemek oly móon változtathatják meg a fény állapotát, hogy lecsökkentik annak polarizációfokát, azaz epolarizációt vezetnek be. A fénysugár P polarizációfoka efiníció szerint tiszta polarizációs állapotban P=1, természetes polarizálatlan fény esetén peig P=. Depolarizáció fellépése esetén az ereetileg teljesen polarizált fény részlegesen polarizált lesz. Ez azt jelenti, hogy a polarizációfok P=1-ről a D epolarizáció értékének megfelelő mértékben lecsökken: P=1-D [41]. Ilyen esetben a fény polarizáltsága már nem írható le egyszerűen a térerősség komponenseivel, át kell térnünk egy másik formalizmusra. A fény polarizációs állapotát teljesen mértékben jellemzi a 4 komponensű tokesvektor [4, 43]. A tokes-vektorok nulla inexű komponense megaja a fény összintenzitását =I x +I y, az egyes inexű komponens valamely erékszögű koorináta renszer két tengelyére vonatkozó lineáris komponensek intenzitásának különbségeként efiniált 1 =I x - I y. A kettes inexű komponens az 1 komponenstől annyiban tér el, hogy új koorináta renszert választunk az ereeti koorináta renszer 45º-os elforgatásával =I +45 -I -45. A hármas számmal inexelt 4. komponens a jobbra, illetve balra cirkulárisan poláros komponensek intenzitásának különbségeként aható meg 3 =I J -I B. A fény polarizációfokát azonosíthatjuk a tokes-vektor 1, és 3 inexű elemeinek négyzetösszegéből vont négyzetgyökkel, amit az összintenzitásra normálunk: P 1 Ha nem lép fel epolarizáció, akkor a tokes-vektor elemei között a következő 3 összefüggés áll fenn: 1 3, tehát P=1 [44]. Ha a fény teljesen polarizálatlan, akkor az egyes polarizációs irányokhoz azonos valószínűséggel forulnak elő, így a hozzájuk tartozó intenzitások megegyeznek, és a tokes-vektor 1, és 3 inexű eleme nulla értékű lesz. Ennek megfelelően a polarizációfok is nullát a. 15

16 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK A tokes-vektorok bevezetésével a polarizációs állapot egy újabb reprezentációját tehetjük meg a Poincaré-gömb segítségével. Ha a tokes-vektor egyes elemeit egy erékszögű koorinátarenszer tengelyein ábrázoljuk, akkor az így kijelölt gömb felszínének minen pontja egy tiszta polarizációs állapotot fog reprezentálni 3. a ábra. Ha a polarizációfok nem 1, azaz a fény részlegesen polarizált, akkor egyetlen pont helyett egy eloszlással tujuk jellemezni a polarizációs állapotot 3. b ábra. Ha a polarizációfok nulla, azaz teljesen véletlenszerű a polarizációs állapotok iőbeli pl. természetes fény vagy térbeli pl. reflexió inhomogén vastagságú rétegről eloszlása, akkor a tiszta polarizációs állapotok egyenletes eloszlását kapjuk a gömb felszínén 3. c ábra [43]. Ha ezután egy értékkel akarjuk jellemezni a polarizációs állapotokat, akkor az eloszlások iő/térbeli átlagát kell vennünk, amely polarizálatlan fény esetén éppen a gömb középpontját fogja kijelölni. Ebből a leírásból is látszik tehát, hogy véletlenszerű polarizációs állapotban 1 = = 3 =. 3. ábra: a Tiszta polarizációs állapotú, b részlegesen polarizált, és c véletlenszerű polarizációs állapotú fény reprezentálása a Poincaré-gömbön. Az ellipszometriában legtöbbször a polarizációs állapotok térbeli változása ereményez epolarizált nyalábot. A olgozat további részében ezeket, az ellipszometriában megjelenő epolarizációs forrásokat fogom bemutatni. Azokra a epolarizációs forrásokra, amelyeket a minta, illetve az ellipszométer egyes tulajonságai pontosan meghatároznak, kvázi-epolarizáció néven fogok hivatkozni. Véletlenszerű epolarizációs forrásként a felületi struktúrák véletlenszerű elhelyezkeéséből aóó epolarizációt tekintem, ahogy azt a következő fejezetben részletesen is bemutatom...1 Az ellipszometriában előforuló epolarizációs források Az ellipszometriai mérésnél előforuló epolarizációs források megjelenhetnek min az ellipszométer, min peig a minta egyes tulajonságai folytán. Az ellipszométer 16

17 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK tulajonságaiból ereő epolarizáció egyik forrása lehet a vizsgáló fény nem megfelelő kollimáltsága, illetve fókuszáló optika alkalmazása. Ekkor a megvilágító fénynyaláb nem jellemezhető egyetlen beesési szöggel, hanem szélesebb szögtartományból érkező fény vesz részt a mérésben. A különböző beesési szög alatt érkező résznyalábok különböző polarizációjúak lesznek a visszaverőés után, összességük nem írható le egyetlen polarizációs állapottal, azaz kvázi-epolarizációt okoznak 4. a ábra [45, T1]. 4. ábra: Az ellipszométer tulajonságai miatt fellépő epolarizációs források: a fókuszáló optika használatakor megjelenő szögbizonytalanság, és b a véges sávszélesség paraméter hatása részben [5] alapján. A monokromátor, illetve spektrográf által előiézett epolarizáció szintén az ellipszométerhez köthető epolarizációs forrás. Az ellipszométerek spektroszkópiai jellegük révén szükségszerűen tartalmaznak spektroszkópiai bontóelemet a minta előtt vagy után. A monokromátorok és spektrográfok véges hullámhossztartományra jellemző aatmennyiséget integrálnak egy aott hullámhosszérték helyett. A 4. b ábrán látható az az eset, amikor a mintára a monokromátor kis hibája miatt különböző hullámhosszal jellemezhető komponensek esnek. ivel a visszaverőéskor fellépő fázisváltozás a hullámhossztól is függ, ezért eltérő lesz a 1, illetve komponensek polarizációja. ivel a vizsgált anyag által előiézett polarizációs állapot változás az anyag optikai tulajonságaitól nagymértékben függ, ez a véges hullámhossztartományra történő átlagolás akkor a jelentős epolarizációs járulékot, ha a vizsgált anyag optikai aatai gyorsan változnak, így pélául félvezetők esetén az abszorpciós sáv környékén [15], illetve strukturált ielektromos függvénnyel jellemezhető fémötvözeteknél [46]. Hatását azonban más minták esetén is vizsgálni kell [47, T1]. A vizsgált minta is mutathat olyan tulajonságokat, amelyek révén a vizsgáló fénynyaláb polarizációfoka lecsökken. Ha a megvilágító fényfolt mérettartományában a réteg 17

18 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK vastagsága gyorsan változik, akkor a mintára eső nyaláb egyes részei eltérő vastagságú rétegeken halanak keresztül. Emiatt a sugarak eltérő optikai úthosszakat járnak be, tehát eltérő fázisváltozást szenvenek el a reflexió során. A etektorra ezen, egyenként meghatározott polarizációjú sugarak összessége jut, ami kvázi-epolarizált nyalábot ereményez. 5. a ábra. Ez a epolarizációs forrás számos esetben kiküszöbölhető a megvilágító fényfolt méretének csökkentésével, azonban ekkor a nyaláb fókuszálása okozhat epolarizációt. Inhomogén rétegvastagságú mintákra vonatkozó mérési ereményeket találunk pélául a [19, 48, 49, T] munkákban. 5. ábra: A minta tulajonságai miatt fellépő epolarizáció forrásai: a inhomogén rétegvastagság, b szigetesen elhelyezkeő réteg, c strukturált felületű minta és inkoherens hátolali reflexió részben [5] alapján. A rétegvastagság-inhomogenitás határesetének tekinthető az az eset, amikor a réteg nem fei tökéletesen a horozót, azaz szigetes formában helyezkeik el. Ekkor a mérőfolt egyes részei a minta olyan területeiről verőnek vissza, amely nincs réteggel borítva, míg más részei a réteg és a horozó együttesét látják 5. b ábra. A etektorra most is külön-külön meghatározott polarizációjú sugarak összessége jut, ami kvázi-epolarizált nyalábot ereményez [5]. Ez a mintatulajonság főleg a mikroelektronikai iparban alkalmazott fotolitográfiás technológia egyes lépéseinél jellemző [51], e pélául biológiai mintáknál is fontos lehet [T3, T4]. 18

19 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK trukturált felületű minták vizsgálatánál is számíthatunk epolarizáció megjelenésére, ha az érességet aó struktúrák mérete a vizsgáló fény hullámhossztartományába, vagy annál nagyobb mérettartományba esik. Ha a struktúrák mérete meghalaja a vizsgáló fény hullámhosszát, akkor a különböző felületelemekről a visszaverőés más-más irányban történik, a kezetben párhuzamos nyaláb széttartóvá válik, illetve a nyalábot alkotó sugarak szög szerinti eloszlása véletlenszerűen meg fog változni. Azokat a sugarakat, amelyek nagyobb szöggel térülnek el a reflexió során, a etektorkar apertúrája nem engei át, így ezek nem vesznek részt a mérésben. A felületelemekre eltérő szögek alatt beeső, illetve a többszörös reflexiót elszenveő sugarak a Fresnel-egyenletek alapján más-más polarizációjú sugarakat ereményeznek, amelyek összeava epolarizációt okoznak 5. c ábra. ivel minez a felület véletlenszerű strukturáltságának megfelelően történik, hatásuk egyszerű moellszámításokkal nem követhető nyomon [5]. Ha a struktúrák mérete a vizsgáló fény hullámhosszának nagyságrenjébe esik, akkor a felületelemeken fellépő reflexió nem írható le a Fresnel-formulákkal, a mintát elhagyó fény térerősségét a felületi struktúrákat gömbökkel moellezve pélául a ie-szórás formuláival lehet közelíteni, és a epolarizáció ebben az esetben is jelentős lehet [53]. Ha a felületi struktúrák kicsik, - általános ökölszabályként a vizsgáló fény hullámhossztartományának 1/1 részét szokták megjelölni olyan határértéknek, aminél kisebb struktúrák esetén a felület makroszkopikus skálán homogénnek tekinthető [5], - akkor a epolarizáció elhanyagolható, és a felületi éresség az effektív közeg közelítés eszköztárával jól leírható. Ha a horozó átlátszó vagy nagyon kicsi az abszorpciója, akkor előforulhat, hogy a horozó hátolaláról is reflektálóik fény, amely visszajut a etektorba 5. ábra. A hátolalról és az első felületről visszavert sugarak polarizációs állapota eltér, mivel a hátolalról reflektált nyaláb teljesen más utat jár be a mintán belül. A hátolalról visszavert sugár a nagy úthossz-különbség miatt már nem is lesz koherens a réteg-horozó felületről visszaverőő nyalábbal. Így a etektorra jutó résznyalábok inkoherens összege epolarizációt okoz [54]. ivel ennek a epolarizáció forrásnak a kiszűrése általában egyszerűen megolható a hátolal éresítésével, vagy a hátolalról visszaverőő nyaláb apertúrázásával, így ennek részletes leírásával nem foglalkozom a olgozatban. Ebben a részben a epolarizációs forrásoknak ugyan csak a szemléletes jellemzését atam meg, azonban már ez alapján is biztosan állítható, hogy ha a hagyományos 19

20 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK ellipszometriai mennyiségek és mellett a epolarizációt is mérjük, akkor több információt nyerhetünk a vizsgált mintáról, illetve arról, hogy az aott minta esetén milyen mérési móot éremes választani pl. fókuszált nyaláb alkalmazása ahhoz, hogy a kiértékelést minél korrektebb móon tujuk elvégezni. A következő fejezetben a epolarizációs források matematikai formulákkal történő leírási lehetőségeit veszem sorra... Különböző epolarizációs források leírása üller-mátrix formalizmus segítségével A fény polarizációs állapotát leíró tokes-vektorokat a üller-mátrixokkal tujuk összekapcsolni [43, 55, 56]. A üller-mátrixok 4 4-es mátrixok, amelyek azt mutatják meg, hogy a minta, illetve az egyes optikai elemek hogyan befolyásolják a polarizációs állapotot üllermátrix Ahhoz tehát, hogy a minta teljes körű ellipszometriai jellemzését el tujuk végezni, éremes üller-mátrix formalizmussal olgozni, mert ez az, amellyel pontosan nyomon követhetjük, hogy a minta miként befolyásolja a fénynyaláb polarizációs állapotát, és így a epolarizációját is. 1 3 Egy izotróp, reflektáló mintát a következő üller-mátrixszal tuunk leírni [57, 58]: 1 cos R 1 N N 1 R cos 1 sin cos sin sin sin sin sin cos 1, C C ahol és az ellipszometriai szögek, N=cos, C=sincos, =sinsin, R peig a mintára jellemző reflexió. Ezek a mátrixelemek az elliptikusan poláros fényt reprezentáló tokes-vektor elemeivel egyeznek meg, tiszta polarizációs állapotban tehát négyzetösszegük

21 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK 1 1-et a. Így a üller-mátrix ezen elemeiből ki tujuk fejezni azt, hogy a minta milyen mértékben befolyásolja a fény polarizációfokát: 3 1 C N P A üller-mátrix elemeiből a következő összefüggésekkel aónak a mintára jellemző ellipszometriai szögek és a epolarizáció: tan tan D 4 Véletlenszerű epolarizációt okozó minta leírásához elsőként vizsgáljuk azt az esetet, amikor a minta a ráeső polarizált fényből teljesen polarizálatlan fényt állít elő. Ekkor a mintánkat egy epolarizáló elemnek tekintjük [57]. Teljesen polarizálatlan fényt előállító epolarizáló elem üller-mátrixa: 1 D Ha ezzel a mátrixszal megszorozzuk a bejövő fény tokes-vektorát, akkor láthatjuk, hogy 1, és 3 elemek kinullázónak: Ez azt jelenti, hogy a vektor efiníciójában szereplő polarizációs irányokban azonos lesz a fény intenzitása, tehát a mátrix minenféle polarizációs állapot azonos valószínűséggel történő megjelenését írja le. A valóságban a minta általában nem teljesen polarizálatlan fényt reflektál. Ennek megfelelően a mintát jellemző üller-mátrix felírásában a epolarizáló elem üller-mátrixa mellet az izotróp, reflektáló minta üller-mátrixának is szerepelnie kell 1. A keresett

22 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK üller-mátrix ezen két mátrix polarizációfokkal súlyozott összegéből áll elő [58]: D P 1 P D 1 cos 1 cos 1 RP 1 P sin cos sin sin sin sin sin cos RP P 1 RP cos cos RP RP 5 RP sin cos RP sin sin RP sin sin RP sin cos 1 B cos cos 1 1 B B R P, B sin cos B sin sin B sin sin B sin cos ahol P a nyaláb polarizációfoka, a epolarizációt nem okozó minta üller-mátrixa, D az ieális epolarizáló elemet reprezentáló üller-mátrix, R a mintára jellemző reflexiós R P együttható, B peig a következő szorzófaktor: B. R 1 P 1 A fenti leírás a véletlenszerű epolarizációs forrásokra vonatkozik. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy ha a mintát külön-külön tiszta polarizációs állapotú sugarak hagyják el, és csak ezek összeaásából aóik a epolarizáció, akkor már nem beszélhetünk véletlenszerűségről, a kvázi-epolarizációt peig más formalizmussal tujuk kezelni. A kvázi-epolarizációs források közül korábban már szemléletes képet atam a nyaláb fókuszálása miatt fellépő szögbizonytalanság, a véges sávszélesség, a vastagságinhomogenitás és a szigetesen elhelyezkeő réteg hatásáról. ost nézzük meg, hogy ezeket milyen üller-mátrixok segítségével tujuk leírni. Elsőként a vastagság inhomogenitásából aóó kvázi-epolarizációt tekintve térjünk vissza az izotróp, reflektáló minta üller-mátrixára 1, amelyben a és értékek, valamint a reflexió szerepel. ivel és, azaz N, C, és R értéke is függ a rétegvastagságtól, ezért a üller-mátrix, és a reflektált fény tokes-vektora is függ a rétegvastagságtól. Ha a minta a mérőfolton belül nem egy rétegvastagsággal jellemezhető, hanem egy rétegvastagság eloszlással, akkor a mintáról reflektált, azaz a készülék által mért tokes-vektor a különböző

23 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK 3 vastagságú részekről reflektált rész-tokes-vektorok összege integrálja lesz [5]: J B y x J B y x I I I I I I I I I I I I I I A mintáról reflektált fény tokes-vektorát megkapjuk a minta különböző rétegvastagsággal jellemezhető részeihez tartozó üller-mátrixok ismeretében: J B y x I I I I I I I A kifejezésbe az izotróp minta vastagságtól függő üller-mátrixát helyettesítve: f C C N N R f C C N N R Itt már az átlagolt üller-mátrixot jelöli. A képletben szereplő f a vastagság eloszlását megaó függvény, amelyre akkor van szükség, ha a 1 és vastagságértékek között a rétegvastagság nem lineárisan változik. A képletben előforuló integrálokra a következő formalizmust alkalmazva egyszerűbb formát nyer az összefüggés: f R R 1, R f N R N 1,

24 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK 4 R f C R C 1, R f R 1. Visszahelyettesítés után: C C N N R f C C N N R A vastagság-inhomogenitásból származó epolarizációt a vastagságeloszlás ismeretében ezzel a formalizmussal le tujuk írni. Ha egy szigetesen elhelyezkeő rétegen mért üller-mátrixot szeretnénk megani, akkor a vastagság-inhomogenitást leíró integrál egyszerűsöik. Ebben az esetben ugyanis a vastagságeloszlás f egy egységugrás függvénnyel írható le, és az ereő üller-mátrix meghatározásához a két területre réteg nélküli terület, valamint réteggel bevont terület jellemző reflexiós együtthatók és üller-mátrixok feettségi aránnyal súlyozott átlagát kell tekinteni. A feettségi arányt tekinthetjük illesztési paraméternek, vagy pélául atomi erő mikroszkópos felvételek segítségével becsülhetjük meg. A szögbizonytalanságból ereő epolarizációt hasonló a formalizmussal tujuk leírni, mint a vastagság-inhomogenitásból származót. A különbség minössze annyi, hogy az integranus a különböző vastagságértékek helyett különböző szögértékeket tartalmaz, az integrálás peig nyilvánvalóan a szögtartományra történik. Az f függvény azt aja meg, hogy az egyes szögértékek milyen súllyal szerepelnek. ivel a fókuszált nyaláb tulajonsága az ellipszométer jellemzője, így ezt az értéket éremes valamilyen móon megmérni, és később a nyaláb ivergenciáját állanó értékkel figyelembe venni a kiértékelések során.

25 . TUDOÁNYO ELŐZÉNYEK zintén ezzel a mószerrel tujuk kezelni a véges sávszélesség miatt jelentkező epolarizációt. Az integrálokban ekkor a különböző hullámhosszakat, és az előforuló hullámhosszak f eloszlását kell figyelembe venni. ivel a epolarizációs források közül általában nem csak egy van jelen a mérésben, így fontos kitérnünk azokra a mátrixokra is, amelyek több epolarizációs forrás együttes jelenlétekor alkalmazhatóak. Ha egyszerre több kvázi-epolarizációs forrás is jelen van a mérés során, akkor ezt úgy kezelhetjük, ha a korábban bemutatott integrál formulákban minegyik változó pl.,, szerint elvégezzük az integrálást, ami többszörös integrálok megjelenését ereményezi az átlagolt mátrixban. 5

26 3. CÉLOK 3. Célok Az ellipszometriai mószerek fejlőése folytán a manapság használt készülékekben már rutinszerű a epolarizációs spektrumok mérése, és a kiértékelési formalizmus is nagyrészt renelkezésre áll. Ennek ellenére az ellipszometria témában megjelenő publikációk elenyésző hányaában tesznek említést a epolarizáció hatásairól, és nem sok tapasztalatunk van arról, hogy milyen mintatípusok és mérési körülmények esetén van jelentős hatása. Doktori munkám fő célja így az volt, hogy vizsgáljam a különböző tulajonságú vékonyrétegek ellipszometriai mérésekor fellépő epolarizációs jelenségeket, értelmezzem ezek hatását a mérési aatok kiértékelésére, és a megfelelő kezelésükre leírást ajak. Az általam vizsgált vékonyrétegek kiválasztásánál arra töreketem, hogy minél szélesebb alkalmazási körből szerepeljenek minták, és ezek minél több epolarizációs forrás emonstrálására biztosítsanak lehetőséget. Így esett a választásom az egyre szélesebb körben alkalmazási potenciált mutató D anyagok közül a grafénre, amely ellipszometriai vizsgálata leggyakrabban az interferencia erősítés mószerével valósul meg. Ez a mószer a mérés érzékenyebbé tétele mellett az ellipszométer tulajonságaiból aóó epolarizációt is felerősíti, ezt azonban az iroalomban vagy csak kvalitatív móon tárgyalják, vagy elhanyagolják [1, 46]. A mért epolarizáció magyarázata mellett így azt vizsgáltam, hogy annak elhanyagolása milyen hibát okoz az ellipszometriai kiértékelésben. Célom volt a grafén minták mellett az ellipszometriában használt tipikus vékonyrétegek vastagságtartományában is megvizsgálni az interferencia erősítés mószerénél fellépő epolarizáció mértékét és hatását, amelyhez saját mintasor készítését tűztem ki célul. Az ellipszométer tulajonságaiból fakaó, és a minta által felerősített kváziepolarizáció értelmezése után a napelem-kutatásban alkalmazott, gyakran erősen éres ZnO vékonyrétegekhez [59, 6] kötőően a minta tulajonságai miatt fellépő epolarizációs forrásokat vizsgáltam. Célom volt egy olyan eljárás kiolgozása, amely lehetőséget biztosít a kvázi-epolarizációs források és a véletlenszerű epolarizáció különválasztása a mérési aatokban. A mószer alkalmazhatóságát szóró tulajonságú és inhomogén rétegvastagsággal jellemezhető ZnO vékonyrétegeken elvégzett kísérletekkel szemléltetem. 6

27 3. CÉLOK Végül az ellipszometriai vizsgálatok során egyre szélesebb körben alkalmazott biológiai minták esetén célul tűztem ki egy újabb mintatulajonság, a szigetesen elhelyezkeő réteg következtében fellépő epolarizáció vizsgálatát. A bio-anyagokat is tartalmazó szenzorok fejlesztésében nagyon fontos szerepe van a kiválasztott anyag szubsztráthoz való kötőésének és a rétegek strukturális tulajonságainak [61, 6]. Célom volt megvizsgálni, hogy az ellipszometriai mérésekből hogyan tuunk következtetni ezekre a tulajonságokra pepti vékonyrétegek esetén. Ehhez a epolarizáció értelmezése mellett azt is emonstrálom, hogy a epolarizáció mérése segítségünkre lehet abban, hogy a különböző ellipszometriai moellek közül kiválasszuk azt, amely a vizsgált minta tulajonságainak a leginkább megfelel. A helyes moell megtalálása hozzájárul, hogy a peptiek szilíciumfelületekhez történő kötőését, és a kialakult réteg szerkezetét nagy pontossággal jellemezzem. 7

28 4. ÓDZEREK 4. ószerek 4.1 intakészítés A célkitűzésben megfogalmazott vizsgálatok elvégzéséhez a ZnO rétegeket és a szénrétegeket impulzuslézeres vékonyréteg-építési technikával Pulse Laser Deposition - PLD készítettem, míg a pepti rétegeket olatba merítéssel. A vizsgált egy-, két és ötrétegű grafén mintákat az AC aterial, LLC gyártotta. A PLD eljárásban alkalmazott kísérleti elrenezés fő részei a lézerrenszer, a vákuumkamra és a vákuumkamra evakuálását biztosító szivattyúrenszer [63]. A vákuumkamra sematikus rajzát a kiegészítő berenezésekkel a 6. ábra mutatja. 6. ábra: A PLD elrenezés egyszerűsített ábrája. Rétegépítés során a fókuszált lézerimpulzusok hatására a céltárgy anyagából kiáramló plazma a céltárggyal szemben elhelyezkeő horozón réteget hoz létre. A mószer előnyei közé tartozik, hogy renkívül széles azon anyagok köre, amelyekből ilyen móon vékonyrétegek állíthatóak elő, az elrenezés egyes paramétereinek állításával peig a képzőő vékonyréteg tulajonságai is széles skálán hangolhatók. A PLD azonban szinte kizárólag a tuományos életben alkalmazott mószer, és nem terjet el az iparban, mivel egyrészt kis felületű minták bevonására alkalmas, másrészt a plazma inhomogenitása miatt a kialakult réteg eltérő vastagságú és összetételű a minta egyes pontjaiban [64]. A kísérleteimnél ez a hátrány azonban előnnyé vált, ugyanis ez tette lehetővé, hogy a ZnO minták esetén részletesen vizsgálhassam a rétegvastagság inhomogenitásából aóó epolarizációt, illetve a szénminták esetén a vastagság változásai miatt a különböző rétegvastagságú területek vizsgálatára egyetlen minta felületén is lehetőségem volt. 8

29 4. ÓDZEREK Horozónak minkét vékonyréteg-típus esetén bórral szennyezett szilíciumlemezből vágott lapokat használtam. íg a ZnO leválasztása esetén az acetonban és etil-alkoholban megtisztított lapokat egyéb kezelés nélkül felhasználtam, aig a szénrétegek elkészítése előtt 1 C-os hőkezelésnek vetettem alá a szilíciumot levegő környezetben, hogy io réteg alakuljon ki a felületén. A hőkezelés iőtartamát 45 perc és 71 óra között változtattam, ezalatt 3 és 66 nm közötti vastagságú termális oxiréteg növekeett. Ennél a mintasorozatnál azért öntöttem a vastag io réteg alkalmazása mellett, mert egyrészt a grafén rétegek, amelyekkel összehasonlításban vizsgáltam a vékony szénrétegek viselkeését, szintén vastag io rétegen helyezkenek el, másrészt a vastag ielektrikum réteg a vékony abszorbeáló réteg alatt lehetőséget a az interferencia erősítés mószerének kihasználására az ellipszometriai kiértékelés folyamán.1.4 fejezet. inkét leválasztási folyamatnál fűtött horozóval olgoztam. A minta elektromos kontaktusokkal volt rögzítve, amelyek áram átvezetését tették lehetővé. Az átfolyó áram erősségének szabályozásával tutam változtatni a horozó hőmérsékletét, amelyet kalibrált i-ge fotoióa párral mértem a kamra egyik betekintő ablakánál összegyűjtve a minta által kibocsátott hőmérsékleti sugárzást. A kontaktusok környékén fellépő nagyobb áramsűrűség lokális hőmérséklet-különbségeket ereményezett. A ZnO és a szénrétegek leválasztásánál alkalmazott anyagokat és kísérleti körülményeket az 1. táblázatban foglaltam össze. Vékonyréteg ZnO szén lézer ArF excimer KrF excimer átlagos energiasűrűség J/cm 13 1 hullámhossz nm céltárgy ZnO tabletta üvegszerű szén korong horozó szilícium lap vastag io réteggel bevont szilícium lap horozó hőmérséklete C háttérgáz O Ar nyomás Pa 1 1 lövésszám 1, illetve 1 1. táblázat: A ZnO és szénrétegek PLD-vel történő előállításakor alkalmazott anyagok és kísérleti körülmények összefoglalása. 9

30 4. ÓDZEREK A pepti rétegek esetén az volt a vizsgálatok egyik célja, hogy a különböző peptiek p- és n-típusú szilíciumhoz való kötőési tulajonságait kísérletileg is vizsgáljuk. Így ezekhez a mintákhoz min bórral p-típusú, min peig foszforral n-típusú szennyezett i lapokat is használtunk. A i lapokat először 1 percre hirogén-fluori 1:1 arányú vizes olatába mártottuk a felületen lévő natív oxiréteg eltávolítása céljából. Ezt követte egy esztillált vizes öblítés, maj óra kezelés a pepti olatokban. A mintakészítéshez szükséges olatokat az együttműköő partner készítette. A leválasztási folyamat végén a nem kötött peptieket esztillált vizes öblítéssel távolítottuk el a felszínről. A olgozatban a pepti rétegekre a rövi nevük alapján fogok hivatkozni, azonban az ezekhez tartozó szekvenciákat a. táblázatban közlöm. inta P1 P P3 P1-B P3-B PC4 Peptiek VVGKPPRP LLADTTHHRPWT PGLLVHQT VVGKPPRP-GGK-biotin PGLLVHQT-GGK-biotin LVHQT. táblázat: A kísérletekben alkalmazott peptiek rövi neve és a megfelelő szekvenciák. 4. intakarakterizálás 4..1 Ellipszometriai mérések, hibaforrások Az ellipszometriát az előző fejezetekben már bemutattam, így ebben a részben csak a legfontosabb mérési körülményeket ismertetem. éréseimet az Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék Woollam - F forgó kompenzátoros spektroszkópiai ellipszométerével végeztem. Ez az eszköz a 48-1 nm-es hullámhossztartományban 1,4-5 ev fotonenergia-tartomány 481 pontban rögzíti a mért aatokat. A méréseknél alkalmazott beállításokat a 3. táblázatban foglaltam össze. 3

31 4. ÓDZEREK Vékonyréteg PLD szén/grafén ZnO pepti beesési szög 6, 65, 7 65, 75 65, 7, 75 fókuszált nyaláb mérési pontok száma kompenzátor forulatszám/mérés táblázat: Az ellipszometriai mérések jellemző paraméterei. Az ellipszometriai eremények értelmezésekor minig figyelembe kell venni a mérés és a kiértékelés során fellépő hibaforrásokat, bizonytalanságokat. Ezek lehetnek véletlen hibák és renszeres hibák. A véletlen hibák közé tartozik a etektált fotonszám ingaozása, illetve a termális zaj az elektronikai áramkörökben [57]. Ezek több mérés elvégzésével, illetve az integrálási iő növelésével csökkenthetők. Az integrálási iő helyett a Woollam - F készülékkel történő mérés során azt tujuk beállítani, hogy a kompenzátor hány forulatot tegyen meg a mérés során l. 3. táblázat. érési ereményként peig az egyes forulatoknál kapott értékek átlagát kapjuk. A renszeres hibák származhatnak az ellipszométer esetleges kalibrációs pontatlanságaiból. A beesési szög nominális értékétől való eltérést a gyártó által kalibrált io mintán történt mérés alapján állapítottuk meg, és a kiértékeléseknél a korrigált értéket vettük figyelembe. A renszeres hibák a kiértékelés mójától és a vizsgált minta tulajonságaitól is függenek. Ha inhomogén tulajonságú mintát vizsgálunk, akkor a legjelentősebb bizonytalanság az egyes mérési pontokban mért aatok eltérése lesz. Ebben az esetben a különböző mérési pontokhoz renelhető mintajellemzők olyan sokaságot alkotnak, amelyen már lehet szórást és hibát számolni. A pepti vékonyrétegek esetén ezt a mószert követtem. ivel a ZnO vékonyrétegek esetén minen vizsgálni kívánt mintatulajonsághoz egy aott mérési pont tartozik, így ebben az esetben a mérési pontok közötti eltérések nem alkalmasak hiba efiniálására. Itt a kiértékelés során, a szoftver által minen illesztési paraméterhez megaott bizonytalanságot tekintettem a hiba megaásához. 31

32 4. ÓDZEREK A grafén rétegeknél és a szén vékonyrétegek kiértékelésekor csatolt környezeteket alkalmaztam, csatolt paraméterekkel, így a szoftver által megaott, az egyes paraméterek bizonytalanságát jellemző értékek helyett más móot kerestem a hiba megaására. Itt a szénrétegek optikai viselkeését leíró oszcillátor moellnél szimmetrikus oszcillátorok különböző típusaival is elvégeztem a kiértékelést Lorentz-, Gauss- és harmonikus oszcillátor. ivel az E értékek nagyon hasonlónak aótak a különböző oszcillátor típusokkal elvégzett kiértékeléseknél, és nem is látszóott egyértelmű tenencia a különböző oszcillátor típusokkal kapott ereményekben, így a bemutatott rétegvastagságok és optikai aatok bizonytalanságát a különböző kiértékelések ereményeinek szórásából számolt hibával jellemeztem. 4.. Az ellipszometriát kiegészítő mérési mószerek Láttuk korábban, hogy az ellipszometriai mérésből néhány kivételtől eltekintve nem tujuk közvetlenül meghatározni az optikai aatokat és a minták strukturális jellemzőit, hanem moellt kell alkotnunk. Emiatt az eremények nagyban függenek az alkalmazott moelltől, így minenképp szükséges és fontos az ellipszometriai vizsgálatokat más mószerekkel kiegészíteni, illetve ezen független mószerek ereményeivel összevetve alátámasztani az alkalmazott moell helyességét. A grafén rétegek és a PLD-vel készített szén vékonyrétegek ellipszometriai vizsgálatát Raman-spektroszkópiai ereményekkel egészítettem ki, amely a szén alapú vékonyrétegek egyik vezető vizsgálati mószere. A ZnO rétegek felület struktúráit és ezen struktúrák méreteloszlását pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltam, míg a pepti rétegek morfológiájáról különböző üzemmóokban felvett atomi erő mikroszkópos képek alapján nyertem információt. A következő részekben ezeket a vizsgálati mószereket és az alkalmazott műszereket mutatom be Raman-spektroszkópia A Raman-spektroszkópia alapja a fotonok vizsgált közegben végbemenő rugalmatlan szórása. Ha valamilyen közegre aott frekvenciájú fényt bocsátunk, akkor a közegről szóróott fényben nemcsak az ereeti frekvenciájú, rugalmasan szóróott fotonok jelenhetnek meg Rayleigh-szóróás, hanem kisebb és nagyobb frekvenciájú komponensek is. zilártestek esetén a gerjesztő és a szórt foton energiakülönbsége megegyezik a kristályrács valamely rácsrezgéséhez tartozó energiával, amit egy, a folyamat során elnyelőő vagy egy keletkező fonon biztosít. A folyamat három, egy iőben lejátszóó lépése a következő: i a szóróó foton a közeg egy elektronját egy virtuális állapotba gerjeszti egy elektron-lyuk párt 3

33 4. ÓDZEREK hozva létre; ii a virtuális állapotban lévő elektron kölcsönhat a szilártest valamely rácsrezgésével, szóróik; iii végül az elektron-lyuk pár rekombinálóik, miközben kisugározza a szórt fotont. Ha a szóróás során a rácsrezgéshez tartozó fonon megsemmisül, miközben energiája és impulzusa a szóróott foton energiáját és impulzusát növeli, akkor anti-stokesi folyamatról beszélünk, ha fonon keletkezik a szóróott foton energiájának és impulzusának rovására, akkor peig stokesi folyamatról [65]. A Raman-spektroszkópiai mérés során a közeget aott fotonenergiájú fénnyel gerjesztik, maj a szóróott fény egyes komponenseinek intenzitását mérik. ivel a Ramanspektroszkópia azt vizsgálja, hogy a stokesi, illetve anti-stokesi vonalak mennyire vannak eltolóva a gerjesztő fényhez képest, ezért a Raman-spektrumokon a etektált intenzitásokat a gerjesztő fény hullámszámától való eltolóás függvényében szokás ábrázolni. Vizsgálataimhoz a Raman-spektrumokat az Ásványtani Tanszéken renelkezése álló Thermo cientific DXR Raman-mikroszkóppal vettük fel. A gerjesztő fény 53 nm-es hullámhosszú volt, és a spektrumok cm -1 -es tartományban 3 cm -1 -es felolással lettek rögzítve. A grafén Raman-spektrumát a vizsgált hullámszám tartományban a G csúcs ominálja, amely 158 cm 1 környékén helyezkeik el, és a szén atomok közötti sp hibriizációjú kötések nyújtási rezgéséhez köthető [66]. A [67, 68] referenciákban megmutatták, hogy a grafén rétegszámának növekeésével a G csúcs a kisebb hullámszámok felé eltolóik. Így tehát a G csúcs helyzetéből következtethetünk a grafén minták rétegszámára. A grafit Raman-spektrumában a grafénhoz hasonlóan szintén a G csúcs figyelhető meg [66]. A mikrokristályos grafit Raman-spektrumában a G csúcs mellett az ún. D csúcs is megjelenik 135 cm 1 környékén [69, 7]. Ez azon, sp hibriizált szenek által alkotott, hattagú gyűrűk lélegző rezgésének ereménye, melyek szemcsehatáron helyezkenek el [65]. A csúcs félértékszélességéből és struktúrájából a szemcseméretre is következtethetünk [7] Pásztázó elektronmikroszkópia A felszíni struktúrák elterjet mikroszkópiai vizsgálati mószere a pásztázó elektronmikroszkópia canning Electron icroscopy - E [71], amely számos üzemmóot kínál a képalkotásra, vagy akár az elemanalízisre is. A pásztázó elektronmikroszkópban nagyfeszültséggel gyorsított, fókuszált elektronsugarat bocsátanak a mintára. Az elektronsugár aott pozíciójában a minta és az elektronsugár kölcsönhatása során 33

34 4. ÓDZEREK az anyagból másolagos és visszaszórt elektronok lépnek ki. A visszaszóróó elektronok a minta felső néhány száz nanométer vastagságú rétegéből származnak, míg a másolagos elektronok ennél vékonyabb felületi rétegből lépnek ki. Emiatt a másolagos elektron üzemmóban a minta felületéről kaphatunk információt. A etektált elektronok száma határozza meg a képpontok intenzitását. A képpontok összessége alkotja az elektronképet, amelyen a legkorszerűbb készülékekben akár 1 nm alatti laterális felbontással tanulmányozhatóak a struktúrák. A másolagos elektron üzemmóban műköő pásztázó elektronmikroszkóp felolási határát elvileg az elektronnyalábhoz renelhető e Broglie hullámhossz gyorsítófeszültségtől függően ~.1.1 nm limitálja, e mivel a felületre eső nyalábátmérőnél nagyobb térfogatban jön létre a másolagos elektronok kilökőése, így a laterális felolás elméleti határát a gerjesztett térfogat olalirányú kiterjeése szabja meg. A gyakorlati felolási határt emellett jelentősen rontja a E mechanikai vibrációkkal és elektromágneses zavarokkal szembeni érzékenysége [7]. Vizsgálataimhoz az ZTE TTIK téremissziós katóú pásztázó elektronmikroszkópját használtuk Hitachi 47 a jobb felolást ~ 5 nm biztosító másolagos elektron üzemmóban gyorsítófeszültség: 15 kv Atomi erő mikroszkópia A felület érességét klasszikus értelemben a felületi struktúrák méretével jellemezhetjük. Ennek meghatározására a legközvetlenebb lehetőségünk az atomi erő mikroszkóppal Atomic Force icroscope - AF nyílik, amelyben egy rugólemezen elhelyezkeő, nanométer nagyságrenű görbületi sugarú tű pásztázza a vizsgálanó felületet. A felület és a tű között fellépő erőhatás miatt a rugólemez elhajlik. Az elhajlás mértékét a rugólemezre vetülő és onnan reflektálóó lézersugár helyzetének fotoióás etektálásából lehet megállapítani. Ebből peig rekonstruálható a felület topológiája. A mérési elvből következően az AF nemcsak képalkotásra használható, hanem felületi éresség mérésére is. Az AF két alapvető mérési mója a statikus és a inamikus mó. A statikus mó legelterjetebb, kontakt beállítása esetén a tű érintkezik a felülettel, és ténylegesen letapogatja azt. Nem stabil minták esetén pl. biológiai anyagok fontos, hogy a tű ne károsítsa a megfigyelni kívánt struktúrákat. Ezt a követelményt a inamikus mó non-kontakt mója teljesíti, ahol a rugólemez nem érintkezik a felülettel, hanem a sajátfrekvenciájától kismértékben eltérő frekvenciával rezeg a minta felett. Az oszcilláció amplitúója néhány nanométer. A felület és a rugólemez között ható erők pl. van er Waals erő, amely a felület feletti 1 nm-es tartományon belül jelentős a rugólemez rezonanciafrekvenciájának 34

35 4. ÓDZEREK csökkenését iézik elő. A rezonanciafrekvencia változását a visszacsatoló renszer figyeli, amely konstans oszcillációs amplitúót tart fenn a felület-tű távolsághoz alkalmazkova. A felület-tű távolságot minen x,y koorinátájú helyen mérve a kiértékelő szoftver megalkotja a minta felületének topográfiás képét [73]. A konstans amplitúót fenntartó üzemmó kiegészítéseként mérni lehet a rezgetési jel és a rugólemez elhajlási jele közötti fáziskülönbséget. Az így kialakuló fázisképben megfigyelhető kontraszt a minta anyagi tulajonságaiban bekövetkezett változást jelez [74]. A pepti mintákról az együttműköő partner által elérhető olecular Probe 3D kontrollerrel ellátott Asylum FP-3D készülékkel lettek AF képek rögzítve a minták 8 8 m, és m -es területeiről rugólemez rugóállanója: 4 nn/nm, pásztázási sebesség: 1 Hz, felbontás: pixel. inen mintán legalább 3 képet rögzítettünk a rétegek különböző területein, hogy az eremények kielégítően reprezentálják a rétegek tényleges jellemzőit. 35

36 5. EREDÉNYEK 5. Eremények A konkrét mintasorokhoz kötőő alfejezetek előtt szeretném szimulációs eremények felhasználásával megmutatni, hogy aott minta esetén milyen epolarizációs spektrumot ereményeznek az egyes kvázi-epolarizációs források. Úgy gonolom, hogy a később bemutatott mérési eremények értelmezéséhez ez elengehetetlen, viszont nem áll renelkezésre iroalmi forrás, amely ezeket ilyen formán tárgyalja. 5.1 Különböző kvázi-epolarizációs források általános jellemzőinek összevetése Az előző részben láttuk, hogy ha ismerjük a kvázi-epolarizációs források jellemző paramétereit, azaz inhomogén rétegvastagság esetén a rétegvastagság eloszlását, szigetesen elhelyezkeő réteg esetén a feettségi arányokat, a nyaláb ivergenciáját, illetve a spektrográf jellemzőit, akkor az ezekhez tartozó epolarizációs spektrumokat ki tujuk számolni. Egy egyszerű moellt feltételezve, szilícium horozón elhelyezkeő 3 nm vastag io rétegnél a 7. ábrán mutatom be a megfigyelhető epolarizáció jellemzőit különböző kváziepolarizációs források jelenléte esetén. A szimulációkban 65 -os beesési szöget feltételezve a rétegvastagság inhomogenitásánál, 4 és 6%-os értékkel számoltam. Ez a százalékos érték a mérőfolton belül előforuló legnagyobb és legkisebb rétegvastagság különbségének és a központi vastagságnak a hányaosaként aóik. A számolásokban a, 4 és 6% tehát 3 nmes rétegvastagság esetén 6 nm, 1 nm és 18 nm-es vastagságváltozásnak felel meg. A beesési szög bizonytalanságát jellemző paraméter a fókuszált nyaláb fénykúpjának fél nyílásszöge. A szimulációkban beállított a és 4 közötti tartomány megfelel az ellipszométereknél leggyakrabban alkalmazott fókuszálás paramétereinek. A sávszélesség paramétert, 4 és 6 nm-es értékkel vettem figyelembe, míg a szigetesen elhelyezkeő rétegnél az ábrán bemutatott 1%, 3% és 5%-os értékek annak a területnek a százalékos arányát aják meg, ahol a réteg nincs jelen. 36

37 Depolarizáció % 5. EREDÉNYEK a vastagság inhomogenitás e % 4% 6% b beesési szög 3 4 c sávszélesség nm 4 nm 6 nm szigetes réteg 1% 3% 5% Fotonenergia ev 7. ábra: Kvázi-epolarizációs forrásokhoz renelhető epolarizációs görbék a a vastagság-inhomogenitás, b beesési szög bizonytalansága, c a sávszélesség és a szigetesen elhelyezkeő réteget jellemző paraméter különböző értékeinél, i horozón elhelyezkeő 3 nm-es io réteg esetén. Az e ábrán a minta spektruma látható. A 7. ábra alapján elmonható, hogy min a négy vizsgált esetben csúcs ominálja a epolarizációs spektrumokat. Ezeknek a pozíciója egybeesik a különböző epolarizációs forrásoknál, és megfelel a 3 nm-es io réteg ellipszometriai spektrumaiban a rétegvastagságtól függő interferencia oszcillációk helyzetének 7. e ábra. Az a és b ábrák összehasonlításakor szembetűnő, hogy a vastagság inhomogenitása és a beesési szög bizonytalansága nagyon hasonló alakú epolarizációs görbéket ereményez. Ezt a 37

38 5. EREDÉNYEK hasonlóságot azzal magyarázhatjuk, hogy a különböző szög alatt a mintára eső nyalábok a különböző törési szögek miatt kismértékben eltérő úthosszakat járnak be a rétegben. Így gyakorlatilag ugyanaz történik a nyaláb különböző részeivel, mint ha a rétegvastagság lenne eltérő. A beállított paraméterek esetén viszont a vastagság-inhomogenitás nagyobb súllyal szerepel, így bár a csúcsarányok hasonlóak az ábrán, a epolarizáció értéke eltérő. A véges sávszélesség miatti epolarizációs spektrum 7. c ábra is hasonló csúcsokat mutat, azonban itt a csúcsok aránya nagymértékben eltér az a és b esetben látható görbéktől. Itt a epolarizáció forrása az, hogy a etektoron véges hullámhossz/fotonenergia-tartomány aatai összegzőnek. Így azon a fotonenergia-tartományon lesz jelentősebb hatása ennek a epolarizációnak, ahol a minta tulajonságai pl. optikai aatok nagyobb mértékben változnak, mert ekkor nagyobb eltérések jelentkeznek az egyes hullámhosszú komponenseket jellemző polarizációs állapotokban, amelyek összeaása nagyobb epolarizációt fog ereményezni. ivel az általam vizsgált anyagok i, io esetén a gyorsabb változások az UV tartomány felé jellemzőek, így a sávszélesség miatti epolarizáció hozzájárulása nagyobb lesz a spektrum UV tartományhoz közelebbi részén. Az 7. ábra részén bemutatott, szigetesen elhelyezkeő réteghez tartozó epolarizációs spektrum alakja a leginkább eltérő, azonban a rétegvastagságra jellemző csúcsok itt is felfeezhetőek. A epolarizáció ekkor a réteggel bevont és a réteg nélküli területekről visszavert nyalábokat jellemző polarizációs állapotok átlagolásából aóik, mértékét peig a réteg nélküli és a réteggel borított területek aránya szabja meg. 5. Depolarizáció vizsgálata grafén és szén vékonyrétegek esetén A grafén mintákon és a szén vékonyrétegeken elvégzett méréseim az ellipszométer tulajonságaira visszavezethető epolarizáció jellemzőinek és hatásainak bemutatására atak lehetőséget. Azért keztem alaposabban foglalkozni a témával, mert az egy-, két- és ötrétegű grafén minták mérésekor jelentős epolarizációt mutattak az ellipszometriai spektrumok l. 8. c ábra, amely magyarázatáról nem találtam kielégítő információt az iroalomban. A 8. ábra emellett az egyrétegű grafén mintán mért egyik ellipszometriai szög 8. a és a pszeuo törésmutató különböző beesési szögekhez tartozó spektrumait 8. b mutatja. 38

39 Depolarizáció % <n> 5. EREDÉNYEK 1 75 Illesztés AOI 6, 65, 7 ért aat AOI 6, 65, 7 a 5 5 b 1 c Fotonenergia ev 8. ábra: a Az egyrétegű grafén minták mért egyik ellipszometriai szög, b a pszeuo törésmutató és c a epolarizáció különböző beesési szögekhez tartozó spektrumai. A grafén rétegek a vizsgált mintáknál 3 nm vastag io rétegen helyezkenek el. Ez általános eljárás a grafén rétegek láthatóvá tételére [75 Blake], és az ellipszometriai vizsgálatok szempontjából is kevező, az interferencia erősítés mószerének alkalmazhatósága miatt.1.4 fejezet. A 8. a ábrán is jól látható, hogy a vastag ielektrikum rétegre felvitt grafén réteg ellipszometriai spektrumában interferencia oszcillációk figyelhetőek meg. Ezen oszcillációk helye egybeesik a epolarizációs spektrum struktúráinak helyével. Az egyezés még szembetűnőbb, ha a spektrum helyett a mintát tömbanyagként kezelve kifejezett pszeuo törésmutató struktúráit hasonlítjuk össze a epolarizációs görbékkel. ivel ezek a struktúrák a vastag ielektrikum réteg jelenléte miatt szerepelnek a mért ellipszometriai spektrumban, arra következtethetünk a epolarizációs görbe hasonló fotonenergiákon megjelenő struktúráiból, hogy a epolarizáció is valamilyen móon a ielektrikum réteg jelenlétéhez köthető, és nem a grafén réteghez. Ezt támasztja alá a [46] közlemény, ahol hasonló epolarizáció megjelenését írták le nm vastag io rétegre leválasztott Ni 1 x Pt x vékonyrétegek esetén. Annak érekében, hogy erre a megfigyelésre 39

40 5. EREDÉNYEK magyarázatot tujak ani, a termálisan növesztett io rétegek epolarizációját vizsgáltam elsőként A termálisan növesztett io rétegek epolarizációs tulajonságai A 9. ábrán láthatóak a különböző vastagságú termálisan növesztett io rétegeken mért epolarizációs spektrumok. A méréseket kollimált és fókuszált nyalábbal is elvégeztem annak érekében, hogy a mérési körülményekről függő epolarizációs forrásokról is információt nyerjek 9. a és b ábra - szimbólumok. inkét mérési sorozatnál jelentős epolarizáció aóott. A spektrumokat összehasonlítva elmonható, hogy hasonló perioikus struktúra figyelhető meg min a kollimált, min peig a fókuszált nyalábbal mért aatsorban: a vastagabb rétegek esetén több oszcillációs maximumot látunk, amelyek a két mérési beállítástól függetlenül azonos fotonenergia-értéknél helyezkenek el. 9. ábra: a Kollimált és b fókuszált nyalábbal, változó vastagságú oxiréteggel feett i szeleteken mért epolarizációs spektrumok. A szimbólumok mutatják a mért aatokat, míg folytonos vonallal ábrázoltam a moell alapján számolt epolarizációkat. A..1 fejezetben bemutatott epolarizációs források közül jelen esetben biztosan kizárhatjuk a felületi struktúrák epolarizáló hatását és az inkoherens hátolali reflexiót, mivel a horozó elnyelő tulajonságú a vizsgált hullámhossztartományban. Amit viszont minenképp ellenőrizni kell, az a spektrográf véges hullámhossztartománya miatti epolarizáció, a fókuszált nyaláb szögbizonytalansága, és az esetleges inhomogenitások a minta tulajonságaiban. Elsőként tekintsük a kollimált nyalábbal mért spektrumokat, ebben az esetben ugyanis a szögbizonytalanságot ki lehet zárni. A [76] referenciában közölt érték alapján a készülékünk sávszélesség-bizonytalanságát 4 nm-es értékkel vettem figyelembe. Amikor ezt az egy 4

41 5. EREDÉNYEK epolarizációs forrást tekintettem a moellezésnél, akkor a kapott görbék nem illeszketek a mért epolarizációs spektrumokra. Nemcsak a struktúrák amplitúója aóott kisebbnek a mért görbékkel összehasonlítva, e a csúcsok magasságaránya is eltért. A véges sávszélesség figyelembevételével kapott epolarizációs spektrumban ugyanis az UV tartomány felé egyre magasabb csúcsok aónak l. 7. ábra, míg a mért aatsor csúcsai közel azonos amplitúójúak a teljes tartományon 9. a ábra. Ez azt mutatja, hogy a sávszélesség paraméter esetleges további növelésével sem lehetne leírni a mért görbéket, tehát szükséges legalább még egy epolarizációs forrás figyelembe vétele. További epolarizációs forrás lehet a rétegvastagság inhomogenitása. Ennek vizsgálatához vastagságtérképeket vettem fel a különböző vastagságú io rétegekről, minen minta 5 5 mm területének 9 pontján elvégezve az ellipszometriai mérést. A vastagságtérképek tanúsága szerint átlagosan ~ nm-t változik a rétegvastagság a vizsgált 5 mm-es szakaszokon. Ha figyelembe vesszük, hogy a fókuszált nyaláb ellipszisének nagytengelye néhány száz mikron, míg a kollimált nyalábnál ez az érték 1- mm az alkalmazott beesési szögeknél, akkor belátható, hogy ez a vastagságváltozás közel sem elég ahhoz, hogy a mért epolarizációt magyarázni lehessen vele. A 7. a ábrán bemutatott, hasonló mintaszerkezethez tartozó epolarizációknál a merőfolton belüli 1 nm-es vastagváltozással aótak 5-1% körüli epolarizációs maximumok. Ez alapján megállapíthatjuk, hogy a 9. a ábra epolarizációs görbéit akkor tunánk magyarázni a vastagság inhomogenitásával, ha egy nagyságrenel nagyobb lenne a vastagság változása a kollimált nyalábbal történt mérés esetén. Hasonló epolarizációs struktúrákat kapunk, ha nem a rétegvastagság inhomogén, hanem a réteg optikai tulajonságai változnak. Ha feltételezzük, hogy a réteg egyes részeinek törésmutatója kismértékben eltér n ~,3 az iroalmi aatoktól [6], akkor le lehet írni a sávszélesség-bizonytalanságon felül fellépő epolarizációt l. 9. a ábra illesztett görbék. Ilyen eltérések aóhatnának pélául a termális rétegnövesztésnél a hibahelyek környezetében tapasztalható lokális inhomogenitásokból [77]. ivel azonban ilyen jellegű inhomogenitások részletes vizsgálata nem volt a kutatásom célja, így a következőkben azt vizsgáltam meg, hogy a minta kisebb területéről aatot gyűjtve, azaz fókuszált nyalábot használva ki lehet-e zárni ezt a epolarizációs forrást. 41

42 5. EREDÉNYEK Ahogy korábban láttuk, fókuszált nyaláb alkalmazása esetén a beesési szög eloszlása epolarizációt okoz. Ebben az esetben az egyes résznyalábok különböző beesési szög alatt esnek a mintára, ennek következtében a törési szög is más lesz a levegő-ielektrikum határfelületen, és különböző optikai úthosszakat járnak be a vastag ielektrikum rétegben. Ennek a epolarizációs forrásnak a mértékére kielégítő becslést lehet ani a nyaláb ivergenciájának mérésével. A készülék nyalábja, amellyel a méréseket végeztem, 3 -os ivergenciával jellemezhető fókuszáló optika alkalmazása esetén. Ezt az értéket kiterített karállásnál beesési szög: 9, CCD kamerával felvett képek alapján határoztam meg, amelyet a fókuszáló lencsétől különböző távolságokban helyeztem el. A fókuszált nyalábbal mért epolarizációs spektrumok illesztése során tehát 3 -os értéken rögzítettem a szögbizonytalanság paramétert, a sávszélesség paramétert peig 4 nm-es értékkel vettem figyelembe. A 9. b ábra esetén összevetve a mért aatsorokat a számolt epolarizációs spektrumokkal megállapítható, hogy ez a két paraméter visszaaja a mért epolarizációs görbéket, ami arra enge következtetni, hogy ebben az esetben más epolarizációs forrás figyelembe vételére nincs szükség. Ennek ellenőrzésére a rétegvastagság-inhomogenitás paramétert illesztési paraméternek állítottam be egy következő kiértékelési ciklusban. Az illesztések elvégzése után a paraméter értéke azonban minen esetben,1% alatt marat, ami alátámasztja a korábbi megállapítást. A továbbiakban így a fókuszált nyalábbal mért aatsorokra vonatkozó ereményeimet mutatom be, mert bár ebben az esetben minenképp számolnunk kell a szögbizonytalanság miatt fellépő epolarizációval, azonban ez jól moellezhető és ismert epolarizációs forrás. 5.. Depolarizáció csökkenése a szénréteggel bevont minták esetén ivel az interferencia erősítés alkalmazása esetén a epolarizáció jelenlététől általában eltekintenek, így ebben a részben azt vizsgáltam meg, hogy ez mennyire jogos, azaz, hogy a io rétegeken mért epolarizáció hogyan változik a különböző, az ellipszometriai kiértékelés során tipikusan alkalmazott vastagságú szénrétegek jelenléte esetén. Ehhez minen különböző io rétegre szénrétegeket választottam le a 4.1 fejezetben leírtaknak megfelelően, maj kihasználva a PLD-s rétegépítés sajátosságaként fellépő vastagság változást, olyan területeken végeztem el az ellipszometriai méréseket, amelyekhez különböző vastagságú szénréteg tartozik. Az öt különböző io minta 6 különböző vastagságú szénrétegén történt mérések így összesen 3 mérési pontot anak a mérési pontokhoz tartozó rétegvastagságokat az 5. táblázatban foglaltam össze. Az ezekhez a mérési pontokhoz tartozó epolarizációs 4

43 5. EREDÉNYEK tulajonságok összehasonlításának egyik mója a mért epolarizációk spektrális átlagának kiszámolása [1]. Ha ezeket az értékeket egy 3D ábrán a io és a szénrétegek vastagságának függvényében ábrázoljuk, akkor láthatjuk, hogy ahogy a szénrétegek vastagsága nő, az átlagolt epolarizáció csökken 1. a ábra. A legnagyobb epolarizáció ahhoz az esethez tartozik, amikor a legvastagabb io réteg 66 nm a legvékonyabb szénréteggel 8 nm van bevonva. Éremes megemlíteni, hogy az átlagolt epolarizációk maximális értéke kisebb, mint 4%. Ez az érték elhanyagolhatónak tűnhet, és pélául a [1] közleményben el is tekintenek az ilyen tartományba eső átlagolt epolarizáció kezelésétől. Ha azonban egy aott io mintán, a különböző vastagságú szénrétegeken mért epolarizációk spektrumát ábrázoljuk 1. b ábra, akkor látható, hogy egyes spektrális tartományokon nagyon jelentős epolarizációs csúcsok mérhetőek, amelyek maximuma jóval meghalaja az átlagos értéket a 1. b ábra spektrumai 1%-kal el vannak tolva egymáshoz képest a jobb láthatóság kevéért. A csúcsok pozícióját főként a io réteg vastagsága határozza meg, míg az amplitúó a szénréteg vastagságával van összefüggésben. inél vastagabb a szénréteg, az abszorpciója folytán annál kevesebb információt enge át a io rétegről, így egyre jobban képes elnyomni a io réteg jelenléte miatt felerősített epolarizációt. Ez azt is mutatja, hogy a renkívül vékony D anyagok esetén, mint amilyen a grafén is, semmiképp sem tekinthetünk el a epolarizáció megjelenésétől az interferencia erősítés mószerének alkalmazásakor. 1. ábra: a Az átlagolt epolarizáció értékek a io és a szénréteg vastagságának függvényében. b Az a ábrán megjelölt pontokhoz tartozó epolarizációs spektrumok a jobb láthatóság kevéért az egyes görbék 1%-kal el vannak tolva egymáshoz képest A minták ellipszometriai kiértékelése Az ellipszometriai kiértékelés első lépéseként a horozóul szolgáló io réteggel bevont szilíciumlapokat vizsgáltam. Ugyan a grafén rétegeknél csak 3 nm-es vastagságú 43

44 5. EREDÉNYEK io réteg szerepel, viszont a PLD-vel előállított szénrétegeknél a io rétegek vastagsága széles tartományon változik 35 nm és 66 nm között, így nem hanyagolható el az optikai tulajonságok vastagságfüggése. A [6, 78] referenciákkal összhangban azt tapasztaltam, hogy a legvékonyabb 35 nm io réteg optikai viselkeése kismértékben eltér a vastagabb rétegekétől, így a tabulált aatsorok helyett ellmeier-féle iszperziós formulával moelleztem a io rétegek optikai aatait l..1.3 fejezet. A ellmeier-réteg paramétereit rögzítettem, és a grafén valamit a grafitszerű szénrétegek kiértékelése során ezekkel a rögzített paraméterekkel moelleztem a io réteget Grafén rétegek kiértékelése A grafén rétegeken mért aatsorok kiértékelésénél két moellt alkalmaztam minen esetben annak érekében, hogy a epolarizáció figyelembe vételével és a epolarizáció elhanyagolásával kapott ereményeket össze tujam hasonlítani. ivel a mérések fókuszált nyalábbal történtek, így a 3 -os szögbizonytalanság értékét és a 4 nm-es sávszélesség paramétert vettem figyelembe a epolarizációs források közül. Korábban láttuk, hogy ez a két paraméter a rögzített értékekkel jól leírja a io rétegeken mért epolarizációs spektrumokat. A másik optikai moellemben epolarizációs forrást egyáltalán nem vettem figyelembe. inen grafén minta 4 különböző pontján mértem, és ezeket a spektrumokat közösen illesztettem meg a csatolt, többmintás kiértékelés segítségével l.:.1.4 fejezet. A grafén esetén a grafén réteget leíró iszperziós függvények paramétereit csatoltam, így a grafén iszperziója ugyan hangolható marat az illesztési eljárás során, azonban azonosan változott minen mérési pontban. Emellett a grafén réteg vastagsága is közös volt a 4 mérési pontban. Az alkalmazott moell tehát a következőképpen épült fel: szilícium horozó, amelynek optikai tulajonságait iroalmi aatsorral írtam le [6], a korábban rögzített ellmeierparaméterekkel moellezett io réteg, amelynek a vastagsága kismértékben változhat a csatolt mérési pontok között, és a grafén réteg, amelynek iszperzióját egy Drue- és két Lorentz-oszcillátorral moelleztem. A kiértékelés bizonytalanságának megállapítása érekében a 4..1 fejezetben leírtak alapján a kiértékeléseket a Lorentz-oszcillátor mellett Gauss- és harmonikus oszcillátorral is elvégeztem. A 4. táblázatban feltüntetett hibák ezeknek a kiértékeléseknek az eltéréseiből aónak. A grafén a szerkezete alapján anizotróp viselkeést mutat, a moellben azonban ezt az anizotrópiát nem vettem figyelembe. A [79, 8] referenciák alapján az egytengelyű 44

45 5. EREDÉNYEK kristályokból felépülő vékonyrétegek esetén, ahol az optikai tengely a felületre merőleges irányú, az ellipszometria nem érzékeny az anizotróp viselkeésre. Ezt támasztotta alá az a megfigyelés, hogy a mintát a tárgyasztal síkjára merőleges tengely körül forgatva, a különböző szögeknél felvett ellipszometriai spektrumok nem váltak szét. A 4. táblázat tartalmazza a epolarizáció figyelembevételével és elhanyagolásával kapott vastagságértékeket és az illesztés jóságát jellemző E paraméter értékét. A zárójelben a 4..1 részben ismertetett móon, hasonló oszcillátorokat tartalmazó optikai függvényekkel illesztett eremények sokaságán számolt hibákat tüntettem fel. Grafén rétegek száma Rétegvastagság epolarizáció figyelembe vételével nm E epolarizáció figyelembe vételével Rétegvastagság epolarizáció elhanyagolásával nm E epolarizáció elhanyagolásával 1,313,4 14,19,7,66,53 14,83,,643, 7,14,13,911,8 7,4,15 5 1,657,1 14,49,6 1,86,34 15,83,6 4. táblázat: A grafén rétegekre vonatkozó kiértékelési eremények a epolarizációt figyelembe vevő és elhanyagoló moellek esetén 3 nm-es névleges vastagságú oxiréteggel bevont i horozó esetén. A 4. táblázat aatai azt mutatják, hogy bár az illesztés minkét kiértékelésnél hasonló E értékekkel elvégezhető, az ereményül aóó rétegvastagságok nagyban eltérnek. Azért, hogy a kapott vastagságértékeket helyességéről meggyőzőjünk, felvettük a grafén rétegek Raman-spektrumát. A 11. ábrán a Raman-spektrumok G csúcsát ábrázoltam, amelynek a pozíciója lineárisan változik a rétegszámmal [67, 68]. A csúcsok helyzete 1588,4 cm -1, 1585,6 cm -1, 1583,6 cm -1 az egy-, két- és ötrétegű grafén esetén jól egyezik az iroalmi értékekkel. A epolarizáció figyelembe vételével kapott vastagságértékekből a grafén iroalmi vastagsága alapján meghatározhatóak a rétegszámok, amelyek jó egyezést mutatnak a Raman-spektrumokból származtatott rétegszámokkal. További ellenőrzésként az ellipszometriai kiértékelés stabilitását is megvizsgáltam: az E értékét rögzített rétegvastagságok esetén, a többi paraméter hangolásával minimalizáltam, és az így kapott minimális E értékeket ábrázoltam az előre beállított rétegvastagságok függvényében 45

46 Intenzitás t. e. E 5. EREDÉNYEK betétábra 11. ábrán. A moell legjobb illeszkeése, azaz a legkisebb E a,3 nm-es,,65 nm-es és 1,66 nm-es vastagságértékekhez tartozik; ezek azok a vastagságok, amik a beállított értékek közül a legközelebb estek az illesztés során kapott vastagságokhoz, alátámasztva az elvégzett kiértékelés helyességét Vastagság nm Vastagság nm Vastagság nm 1..5 egyrétegû kétrétegû ötrétegû Raman eltolóás cm ábra: A G csúcs pozíciójának változása az 1-, - és ötrétegű grafén Raman-spektrumában. A betétábrák grafikonjai az egyes mintákhoz tartozó ellipszometriai kiértékelések minimális E értékeit mutatják a rétegvastagság függvényében. A kiértékelés ereményeként aóó törésmutató és extinkciós együttható értékek a fotonenergia függvényében a 1. ábrán láthatóak. A szaggatott vonalak a epolarizáció elhanyagolásával kapott spektrumokhoz tartoznak, míg folytonos vonallal jelöltem a epolarizációs forrásokat is tartalmazó kiértékelés ereményét. zürke tartományok mutatják az eremények bizonytalanságát. Ereményeimet összehasonlítottam más szerzők grafénre vonatkozó ellipszometriai ereményeivel [1, 14, 8-84], amelyeket szintén feltüntettem a 1. ábrán. 46

47 5. EREDÉNYEK n egyrétegû n kétrétegû n ötrétegû 4 3 epolarizációval epolarizáció nélkül a 1 b c epolarizációval epolarizáció nélkül epolarizációval epolarizáció nélkül e Fotonenergia ev k egyrétegû k kétrétegû k ötrétegû f Weber [1] Losuro [14] Nelson [8] Kravets [81] atkovic [8] artinez [83] Losuro [14] Isic [84] Fotonenergia ev 1. ábra: A Különböző rétegszámmal jellemezhető grafén minták törésmutató és extinkciós együttható spektrumai a epolarizáció elhanyagolásával szaggatott vonal és figyelembe vételével folytonos vonal meghatározva. A szimbólumokkal jelölt spektrumok az iroalmi értékekhez tartoznak. zürke területek jelölik az eremények bizonytalanságát. A kétféle kiértékelés ereményeit összehasonlítva azt láthatjuk, hogy a legnagyobb változást az optikai aatokat tekintve az egyrétegű grafénnél aja a epolarizáció elhanyagolása. A grafén rétegek számának növekeésével a két görbe csaknem átfeésbe kerül. A epolarizáció figyelembe vételével és elhanyagolásával kapott iszperziós görbék alakja nagyon hasonló, köztük egy konstans eltolás látható. Az átlagos eltérés a görbék között,53 az egyrétegű,,18 a kétrétegű és,1 az ötrétegű minta esetén a törésmutatóban, míg az 47

48 5. EREDÉNYEK extinkciós együttható értékeire az átlagos eltérések,77,,7 és,1 az egyes mintákra. A 4. táblázat alapján azt is megállapíthatjuk, hogy az optikai tulajonságok mellett a vastagságértékek is jelentősen eltérnek a két moellnél. Ha figyelembe vesszük a szögbizonytalanságot és a sávszélesség paramétert a kiértékelésnél, akkor a kapott vastagságértékek ~,3 nm-rel kisebbnek aónak minen esetben. Ez az érték az egyrétegű grafén vastagságával szinte megegyezik, így arra következtethetünk, hogy az optikai aatoknál tapasztalható nagy eltérés ebből a vastagságkülönbségből ere. Azokban az esetekben, amikor a rétegvastagság jelentősen meghalaja a,3 nm-es értéket, akkor már az optikai tulajonságok eltérése is kevésbé hangsúlyos. Ez azt is előrevetíti, hogy ha a rétegvastagságot egy független mérésből meg tujuk határozni pl. AF, és ezt rögzítjük a kiértékelés során, akkor az optikai aatok a epolarizáció figyelembe vétele nélkül is kielégítő pontossággal meghatározhatóak [14]. A 1. ábra alapján azt is megállapíthatjuk, hogy a epolarizáció elhanyagolása esetén nagyon hasonló optikai aatsorokat kapunk a különböző mintákra. A törésmutatók 1,4 és,3 között változnak, az extinkciós együtthatók peig,7 és,6 között. A epolarizáció figyelembe vételével kapott értékek az egyrétegű grafén mintánál jóval magasabbak: a törésmutató 1,7 és 3 között, míg az extinkciós együttható 1,5 és,5 között változik ebben az esetben. Az optikai aatok ekkor nagyon hasonlóak az iroalomban megtalálható aatokhoz, amelyeket szintén feltüntettem a 1. ábrán. A rétegszám növekeésével csökkenő n és k értékeket kapunk. A kétrétegű grafén optikai aatai átlagosan,4-el és,6-el kisebbek, mint az egyrétegű grafén törésmutatója és extinkciós együtthatója, míg ugyanezek a különbségek,5 és,8 az ötrétegű grafén aatait az egyrétegűhöz hasonlítva. Arra számíthatnánk, hogy a rétegszám növekeésével az optikai aatok egyre hasonlóbbá válnak a grafit aataihoz, ez azonban nem következik be a [14, 84] referenciákban bemutatott tenenciákkal összhangban A PLD-vel előállított szénrétegek ellipszometriai kiértékelése Az előző fejezetben láttuk, hogy a epolarizációt figyelembe vevő és elhanyagoló kiértékelések ereményeképp aóó optikai függvények nagyban különbözhetnek, ez a különbség azonban a rétegszám növekeésével egyre kevésbé jelentős a grafén rétegek esetén. A megfigyelt tenencia alapján arra következtethetünk, hogy a epolarizáció hatása elhanyagolhatóvá válik az ellipszometriában általában vizsgált vékonyrétegek esetén, amelyek 48

49 Intenzitás t. e. 5. EREDÉNYEK vastagsága a néhány 1 nm-es tartományba esik. Ennek kísérleti vizsgálatához a PLD-vel készített szénrétegeket is kiértékeltem minkét mószerrel. A 13. ábrán a rétegekre jellemző Raman-spektrumot összehasonlítottam a grafit [66] és a mikrokristályos grafit [7] G csúcsának intenzitására normált Raman-spektrumával. A PLDrétegek Raman-spektrumára jellemző intenzív D csúcs alapján a rétegek szerkezete közelebb áll a mikrokristályos grafithoz, amelynél különböző orientációjú kristályos zárványok alkotják a réteget. Emiatt mikrokristályos grafit esetén a grafit anizotrópiája kiátlagolóik, így a moellezés során a szénrétegek esetén is izotróp viselkeést tételeztem fel. A D csúcs eltolóása a mikrokristályos grafit és a PLD rétegek Raman-spektrumában a kismértékben eltérő gerjesztő hullámhosszal magyarázható [69]. A moellezésnél azt is feltételeztem, hogy az azonos rétegvastagságú területekhez azonos optikai viselkeés társul, így minen szénvastagsághoz egy csatolt környezetet építettem fel, ahol az egyes mérési pontoknál a io réteg vastagsága volt különböző. A csatolt környezetekhez az 5. táblázat oszlopaiban szereplő mérési pontok tartoznak. A táblázat tartalmazza az ezekben a pontokban mért szénréteg vastagságokat és az egyes környezetre jellemző E értékeket PLD réteg mikrokristályos grafit grafit D G Raman eltolóás cm ábra: A PLD-vel készült szénrétegekre jellemző Raman-spektrum, illetve a grafit [66] és a mikrokristályos grafit Raman-spektruma [7]. ivel a PLD rétegek tulajonságai eltérhetnek a réteg egyes területein [85], így különböző iszperziós viselkeést tettem lehetővé a különböző szénvastagságokat tartalmazó környezeteknél. Aott csatolt, többmintás környezetben viszont amelyek aott névleges szénréteg vastagsággal jellemezhető mérési aatsorokat tartalmaztak csatoltam a szénrétegeket leíró függvényt, így minen mérési pontnál azonos függvény írta le a szénréteg iszperzióját. A iszperziós függvényt ebben az esetben is oszcillátorokkal moelleztem, a 49

50 5. EREDÉNYEK grafén rétegekkel megegyező oszcillátor típusokat feltételezve. A io rétegek vastagsága illesztési paraméterként volt beállítva, így változhatott az illesztés során, viszont minen illesztési eljárás után ellenőriztem, hogy az ereményül aóó rétegvastagságok közel maratak-e a io rétegeken a szénréteg leválasztása előtt mért aatokhoz. zénréteg névleges vast. nm io vast. nm 35 53,13 43,36 3,88 1,37 18,3 11, ,43 43,14 8,44,76 15, 6,8 3 59,7 44,7 3,5 4,5 1,93 6, ,15 47,1 31,54 1,78 16,8 6, ,5 46,4 36,39,9 1,64 9,39 E 17,57 8,1 3,76 5,74,11 1, 5. táblázat: A PLD-vel készített szénrétegekre vonatkozó kiértékelési eremények a epolarizációt figyelembe vevő moell esetén. Az E paraméter értékei alapján az illesztések jósága kielégítő, főleg annak ismeretében, hogy a csatolt környezetekben öt mérési aatsor együttes illesztése történik meg. Éremes még megemlíteni, hogy a epolarizáció figyelembe vételével és elhanyagolásával elvégzett illesztések szinte azonos E értékeket atak a vastagabb rétegek esetén, azonban a 1 nm alatti rétegvastagságoknál átlagosan 5%-kal kisebb E értékeket ereményezett a epolarizáció figyelembe vétele, amely a mért és illesztett görbék pontosabb átfeését mutatja. A PLD-s szénrétegek tipikus iszperziós görbéjét mutatja a 14. ábra. Ugyanezen az ábrán a grafit orinárius sugárra vonatkozó optikai aatait [86], valamint két különböző 5

51 Extinkciós együttható Törésmutató 5. EREDÉNYEK porozitású grafit réteg törésmutatóját és extinkciós együtthatóját is feltüntettem. A két porózus réteg esetén az optikai függvényeket effektív közeg közelítést alkalmazva.1.3 fejezet, grafit és levegő optikai aatainak felhasználásával, a levegő térfogatarányát 5%-os és 5%-os értékekre beállítva határoztam meg. Látható, hogy a PLD-vel előállított szénrétegek iszperziója hasonló a grafitéhoz, azonban kevésbé kompakt a háttérgázban történő leválasztás miatt [87] Grafit EA - 5% EA - 5% PLD szénréteg Fotonenergia ev 14. ábra: A PLD-vel előállított szénrétegek tipikus iszperziós görbéje a grafit és két különböző porozitású grafitréteg optikai aataival összehasonlítva. A PLD-vel készített szénrétegek grafénhoz hasonló iszperziós tulajonsága lehetővé tette a kinyert optikai aatok epolarizációra való érzékenységének összehasonlítását a grafén esetében meghatározott aatokkal. Azért, hogy a két kiértékelés ereményeit össze tujam hasonlítani, kiszámoltam a epolarizációt figyelembe vevő és figyelmen kívül hagyó moellekkel kapott törésmutató és extinkciós együttható értékek különbségét a spektrum minen egyes hullámhosszára, maj ezeket a különbségeket átlagoltam. Az átlagolt eltéréseket mutatja a 15. ábra min a PLD szénrétegek, min a grafén rétegek esetén. 51

52 Eltérések 5. EREDÉNYEK 1 n eltérés k eltérés.1.1 1E zénréteg vastagsága nm 15. ábra: A epolarizációt figyelembe vevő és elhanyagoló moellekből számolt törésmutató és extinkciós együttható értékeinek különbsége a szénréteg vastagságának függvényében grafén üres szimbólumok és PLD-s szénrétegek esetén teli szimbólumok. A 15. ábra alapján látható, hogy amint a szénréteg vastagsága elér egy bizonyos értéket, a kétféle kiértékelés közötti különbségek gyakorlatilag jelentéktelenné válnak. A szénréteg vastagságának csökkentésével azonban, amikor a mért epolarizáció is egyre hangsúlyosabb, az optikai aatok közötti különbségek is nőnek. Ezek az eremények arra utalnak, hogy a vastag ielektrikum rétegen lévő vékonyrétegek esetén a epolarizáció semmiképpen nem hanyagolható el a vizsgált réteg aott vastagsága alatt. A PLD-vel előállított szénrétegek optikai tulajonságai széles skálán mozoghatnak a leválasztás paramétereitől függően [88], így annak érekében, hogy ezt az ereményt általánosabban is meg lehessen fogalmazni, kiszámoltam, hogy milyen epolarizációs értékek aónának hasonló mintaszerkezetet feltételezve grafit, illetve levegővel kevert, porózus grafit rétegek esetén ezek optikai függvényeit már korábban bemutattam a 14. ábrán. Az ehhez elvégzett szimulációk során a hasonló iszperziós tulajonságú rétegeknél 3 -os szögbizonytalanságot és 4 nm-es sávszélesség paramétert feltételezve számoltam ki az átlagos epolarizáció értékét, a PLD-szénrétegek rétegvastagság értékeinél. A kapott átlagos epolarizációs értékeket a io rétegek és a szénrétegek különböző vastagságainál a 16. ábra mutatja. 5

53 5. EREDÉNYEK 16. ábra: a Grafit, b 5% levegő illetve c 5% levegő hozzáaásával kapott porózus grafitrétegekre jellemző átlagos epolarizációs értékek a io réteg és a szénréteg vastagságának függvényében. A epolarizációs értékek ábrázolásához egyforma beosztású skálát használtam a három különböző réteg esetén, így a felületek alakjának összehasonlításakor egyértelműen látszik, hogy a grafitnál cseng le leghamarabb a epolarizáció, míg az 5% levegőt tartalmazó rétegnél a leglankásabb a felület ez az eset hasonlít legjobban PLD-s rétegeknél mért epolarizációs értékekre 1. a ábra. A látott tenenciák egyszerű magyarázata az, hogy amint a szénréteg extinkciós együtthatója nő, kevesebb fény jut vissza a etektorba a horozó és a io határfelületéről, így a io réteg jelenléte miatt felerősöő epolarizáció is kevésbé lesz jelentős. Ahhoz, hogy számszerűsíteni lehessen azt a rétegvastagság tartományt, amelyben a epolarizációval minenképp számolni kell, szükséges egy küszöbvastagság érték efiniálása. ivel az iroalomban leggyakrabban ~5 nm-es vastagságú ielektrikum réteget alkalmaznak az interferencia erősítés mószeréhez, ezért az 515 nm-es io réteghez tartozó átlagos epolarizációs értékeket gyűjtöttem ki a különböző szénvastagságok esetén; a PLD-s rétegeknél a mért aatok alapján, a grafit, illetve porózus grafit rétegeknél peig a szimulációkra támaszkova 17. a ábra. Ha a küszöbvastagságot annak a rétegvastagságnak feleltetjük meg, amelynél nagyobb vastagságoknál a epolarizáció átlagos értéke 1% alá csökken, akkor a PLD-s szénrétegek esetén ~4 nm-es értéket kapunk, míg ez az érték a porózus grafit rétegeknél 38 nm és 16 nm, 5% és 75%-os széntartalmat feltételezve. A grafitnál kapjuk a legkisebb értéket: itt már 1 nm-es rétegvastagság esetén 1% alá csökken a epolarizáció, azaz ennél nagyobb vastagság esetén nagy valószínűséggel elhanyagolható a epolarizáció figyelembe vétele. ivel a grafén n-k értékei hasonlóak a grafitéhoz, viszont a rétegvastagsága jóval kisebb, ez az eremény is azt támasztja alá, hogy a grafén esetén a epolarizáció semmiképp nem hanyagolható el. 53

54 Rétegvastagság nm Átlagos epol. % 5. EREDÉNYEK Rétegvastagság nm PLD szén EA 5% EA 75% PLD szén EA 5% EA 75% grafit grafit Átlagos extinkció b a 17. ábra: a Áltagos epolarizációs értékek a PLD- szénrétegek, a porózus grafitrétegek és kompakt grafitréteg esetén a rétegvastagság függvényében. b Határvastagságok az átlagos extinkció függvényében. A 17. a ábráról leolvasott határvastagságok egy másik reprezentációját mutatja a 17. b ábra, ahol a vizsgált szénrétegek iszperziójának hasonlósága miatt az extinkciós együttható spektrális átlagával jellemeztem az egyes rétegeket. Ha a határvastagságokat az átlagos extinkció függvényében ábrázoljuk, akkor jól látszik, hogy a növekvő extinkciós értékek a határvastagság csökkenését ereményezik, azaz jelentősebben abszorbeáló réteg esetén már a réteg kisebb vastagsága is elég ahhoz, hogy a epolarizáció hatását elnyomja. Ez a vizsgálat más anyagok esetén hasonlóan elvégezhető, amelynek során meghatározhatóak a epolarizáció fellépését jellemző vastagságértékek. Ami biztosan állítható, az az, hogy az interferencia erősítés mószerének segítségével vizsgált D anyagok esetén a epolarizációt minen esetben mérni és kezelni kell A fejezethez kapcsolóó téziseim: T1. egmutattam, hogy az interferencia erősítés mószerénél alkalmazott vastag ielektrikum réteg a mérés érzékenységének növelése mellett az ellipszométer és a minta tulajonságaiból fakaó epolarizációt is felerősíti. Az interferencia erősítés mószerének megfelelő mintaszerkezetet hoztam létre io rétegek termális növesztésével és szénrétegek PLD-s leválasztásával. E minták segítségével megmutattam, hogy aott küszöbértéknél vastagabb rétegek esetén a réteg abszorpciója elnyomhatja a mért epolarizációt, amely így elhanyagolhatóvá válik. Hasonló iszperziós viselkeést mutató anyagok grafit és porózus grafit rétegek esetén szimulációk segítségével meghatároztam azt az extinkciós együtthatótól függő vastagságtartományt, ahol jelentős epolarizáció mérhető [T1]. 54

55 5. EREDÉNYEK T. A epolarizáció figyelembe vételével és elhanyagolásával elvégzett ellipszometriai kiértékelésekkel emonstráltam a epolarizáció hatását a grafén rétegek és PLD-vel készített szén vékonyrétegek optikai tulajonságaira. egatam, hogy különböző rétegvastagságoknál mekkora eltéréseket okoz a epolarizáció elhanyagolása az optikai aatokban. Ereményeimmel bizonyítottam, hogy a D anyagok ellipszometriai vizsgálata során az interferencia erősítés mószerének alkalmazásakor a epolarizáció mérése és kezelése alapvető fontosságú [T1]. 55

56 5. EREDÉNYEK 5.3 ZnO vékonyrétegek ellipszometriai vizsgálata Ebben a fejezetben az ellipszométer tulajonságaiból fakaó, és a minta által felerősített epolarizáció után vizsgálataimat kiegészítem a minta tulajonságai miatt fellépő epolarizációs források elemzésével. ZnO vékonyrétegeken elvégzett kísérletekkel alátámasztva azt mutatom meg, hogy hogyan lehetséges a kvázi-epolarizációs források amelyek közé a rétegvastagság inhomogenitása, a beesési szög bizonytalansága és a véges sávszélesség tartozik és a véletlenszerű epolarizáció különválasztása a mérési aatokban, amely szétválasztás lehetőséget ahat az egyszerűen moellezhető kvázi-epolarizáció pontosabb meghatározására, ezzel növelve a kiértékelés pontosságát Kvázi-epolarizáció és véletlenszerű epolarizáció együttes megjelenése A magas hőmérsékleten, nagy impulzusszám mellett készített ZnO vékonyrétegek közül azt választottam a vizsgálatokhoz, amely nagy felületi érességű, és inhomogén rétegvastagsággal jellemezhető részeket is tartalmaz egy mintán belül. Így a két epolarizációs forrás együttes vizsgálatát olyan területeken mért ellipszometriai spektrumok összehasonlításával tutam elvégezni, amelyek ugyan a lokális hőmérsékletükben eltérhettek a mintakészítés során a kontaktusok közelében előforuló nagyobb áramsűrűségek miatt, e a PLD-t jellemző egyéb körülmények megegyeztek gáznyomás, lövésszám, leválasztási geometria. A 18. ábrán látható képeken a kiválasztott vékonyréteg fényképe látható napfényben felülről és súrlóó beesésnél megvilágítva. Az első kép színes interferencia csíkrenszere a gyorsan változó rétegvastagság jele. Ez alapján látható, hogy a képen bejelölt a és b pontokban homogén a réteg, míg a c és pontoknál jelentős vastagságváltozásra számíthatunk a nagy sűrűségben elhelyezkeő színes csíkrenszert megfigyelve. A másoik képen látható világos részek a nagy felületi érességű, szóró területekhez tartoznak, ebben az esetben ugyanis az éres felületeken kiszóróó fény jut nagyobb mennyiségben a etektorba fényképezőgépbe. Az előző képen bejelölttel megegyező a és c pozíciók sima felületen helyezkenek el, míg a b és pozícióknál nagy felületi érességet mutatnak a szórási kép fehér területei. Így tehát a homogén/inhomogén rétegvastagság és a sima/éres felületek kombinálásából aóó min a négy variációs lehetőséghez hozzá tuunk renelni egy-egy mérési pontot. Ezekben a pontokban elvégezve az ellipszometriai méréseket pontos képet kaphatunk a rétegvastagság-inhomogenitás, illetve a fényszórás mért aatokra gyakorolt hatásáról. 56

57 5. EREDÉNYEK 18. ábra: A kiválasztott ZnO vékonyréteg fényképe napfénynél felülről és súrlóó beesésű fénynyalábbal megvilágítva. A minta cm cm-es méretű. Annak érekében, hogy a különböző területekhez pontos morfológiai jellemzőket tujunk társítani, az előzőekben bemutatott 4 pontban E képeket vettünk fel a mintákról. Ezeket mutatja be a 19. ábra. 19. ábra: A 18. ábrán bejelölt pozícióknál rögzített E képek. A b és pozícióknál a felszín jelentős strukturáltsága figyelhető meg. A E képek alapján a kiválasztott területek közül kettő valóban simának tekinthető, míg a másik két területen kráterszerű struktúrák figyelhetőek meg. Ezek mérettartománya a 1-3 nm illetve a nm nagyságrenjébe esik, és 3 nm-hez tartozó eloszlási maximummal. ábra. A nagymértékben eltérő felületi morfológia a ZnO réteg eltérő kristályosságára utal az egyes pozíciókban. Az, hogy a szóró tulajonságú részek az 57

58 5. EREDÉNYEK elektromos kontaktusok közelében vannak, amelyek segítségével a minta rezisztív fűtése megvalósult, egyértelműen mutatja, hogy ezeken a helyeken lokálisan nagyobb áramsűrűségek és ezáltal magasabb hőmérsékletek alakultak ki, mint a minta középső területeit jellemző 6 C.. ábra: A b és E képek alapján meghatározott struktúrák méreteloszlását mutató hisztogramok. A mérési aatok értelmezése előtt áttekintem a epolarizációs forrásokat leíró matematikai formalizmust A véletlenszerű epolarizáció különválasztására alkalmazható korrekciós eljárás megaása Ahogy azt a.. fejezetben láttuk, vannak olyan, a olgozatban kvázi-epolarizációs forrás névvel illetett epolarizációs források, amelyek hatását a kiértékelés során jól lehet moellezni, ha ismerjük a minta, illetve az ellipszométer megfelelő paramétereit. Ebben az esetben az aott epolarizációs forrást jellemző paraméter különböző értékeihez tartozó üller-mátrixok átlagolásával kapjuk meg a kvázi-epolarizációs forrás hatását is figyelembe vevő üller-mátrixot 6-os képlet. Ezzel szemben a véletlenszerű epolarizációs forrásokról csak kevés információnk van, így a kiértékelés bizonytalanságát növelik. A véletlenszerű epolarizációval jellemezhető minta üller-mátrixát az 5-ös képletben atam meg. Ha egy összefüggésben szeretnénk kifejezni a kvázi-epolarizáció és véletlenszerű epolarizáció megjelenését, akkor olyan üller-mátrixra van szükségünk, amely a külön tárgyalt két eset üller-mátrixának kombinációja. Ilyenkor, ha feltételezhetjük, hogy a véletlenszerű epolarizáció nem változik a kvázi-epolarizációt okozó tulajonsággal, azaz 58

59 5. EREDÉNYEK pélául nem változik a mérőfolton belül az inhomogén rétegvastagsággal, akkor külön tujuk választani a két hatást a következőképpen. Tekintsünk egy inhomogén rétegvastagsággal és emellett egy véletlenszerű epolarizációs forrással is terhelt mintát. Osszuk fel ezt a mintát olyan részterületekre, amelyek már homogén rétegvastagsággal jellemezhetők, viszont a véletlenszerű epolarizációs forrás ezeken a részterületeken is jelen van. Ekkor a részterületeket jellemző üller-mátrix szétbontható az izotróp reflektáló minta és az ieális epolarizáló elem üller-mátrixainak súlyozott összegére a 5-ös képlet szerint. Ezeket a részterületeket leíró üller-mátrixokat az előforuló vastagságokra felösszegezve és átlagolva a következő mátrixot kapjuk: D 1 B N B N B R 1 P 1 7 B C B B B C, ahol B a következő szorzófaktor: R P B. R 1 P 1 Ez a mátrix min a kvázi-epolarizációs forrást, min peig a véletlenszerű epolarizációt egy összefüggésben jellemzi. Az 5-ös és 6-os képletekben korábban szereplő mátrixok összehasonlításakor látható, hogy a csak vastagság-inhomogenitást mutató minta üller-mátrixának 11 eleme 1 ez minen kvázi-epolarizációs forrás esetén így van, míg a véletlenszerű epolarizációs forrást jellemző, általánosabb leírást aó üller-mátrixban különbözik 1-től. Arra következtethetünk tehát, hogy véletlenszerű epolarizáció pl. szórás miatti az 11 mátrixelemmel összefügg. Ennek kísérleti bizonyítékát aják a 1. a ábrán bemutatott, mért 11 üller-mátrix elemek. Az a, b, c és ábrák spektrumait a 18. ábra megfelelő pozícióinál mértem, 65 -os beesési szögnél. Látható, hogy az a és c, nem szóró területen mért 11 spektrumok az UV tartomány felé megfigyelhető kismértékű csökkenésétől eltekintve jó közelítéssel 1-es értéket anak, míg a b és pozícióknál 3 ev felett jelentősen eltér 1-től a görbe. A véletlenszerű epolarizációnak -, amely ennél a mintánál a felület strukturáltsága, - tehát a 3 ev feletti spektrális tartományon van jelentős hatása a mért aatokra. A 3-5 ev közötti tartomány hullámhosszban a nm-es tartománynak felel meg. A. ábrán bemutatott hisztogramok alapján szórást okozó struktúrák mérete is ebbe a tartományba esik. 59

60 5. EREDÉNYEK 1. ábra: A A 65 -os beesési szögnél mért 11 üller-mátrix elemek. B A 65 -os beesési szögnél mért epolarizációs spektrumok az 11 mátrix elemmel történő korrekció előtt fekete görbék és után kék görbék. Az 11 mátrixelemnek tehát kitüntetett szerepe van a véletlenszerű epolarizáció esetén. A 7 mátrixban a piros körrel jelölt 11 mátrixelem éppen azzal a B faktorral egyezik meg, amely a -tól és 1-től eltérő mátrixelemek minegyikében szorzótényezőként szerepel. Így az 11 elemmel elosztva minen mátrixelemet, és ezeket a korrigált mátrixelemeket behelyettesítve a epolarizáció 4-es képlettel megaott efiníciójába, ki tujuk zárni azt a epolarizációt, amely nem a vastagság inhomogenitásából aóik. A korrigált epolarizáció ezek alapján: D korr 1 D 1 D 11 D D 11 D 3 D 11 1 D 1 D D 11 D 3 A mért és a korrigált epolarizációt mutatja a 1. B ábra. ielőtt rátérek a korrekció hatására, vizsgáljuk meg a mért epolarizációs spektrumokat. A ZnO tiltottsáv-szélessége 3,3 ev [89], így a réteg ennél kisebb fotonenergiákon átlátszó, felette viszont tömbanyagként viselkeik a behatolási mélységnél nagyobb vastagságú rétegek esetén 4 ev-nál a behatolási mélység ~6 nm. Ez azt jelenti, hogy a rétegvastagság inhomogenitása, ami csak abban az esetben okoz epolarizációt, ha a réteg aljáról visszaverőő sugarak eljutnak a etektorba, 3,3 ev felett nem jelentkezik. Ez jól látszik a 1. B ábra c és spektrumain. A 3,3 ev alatti tartományon megfigyelhetőek a vastagság-inhomogenitás okozta epolarizációra jellemző 6

61 5. EREDÉNYEK perioikus struktúrák, amelyek maximális értéke ennél a mintánál az 5%-ot is eléri a c mérési pozícióban. A 1. B ábra kék görbéi mutatják a epolarizáció értékeit az 11 mátrixelemmel elvégzett korrekció után. Látható, hogy a korrigált epolarizáció közel értékű azon a spektrális tartományon, ahol a vastagság-inhomogenitás hatása nem látszik a réteg abszorpciója miatt, tehát a szórás miatti epolarizációt ezzel a korrekcióval le tujuk választani a epolarizációs spektrumról. A ZnO tiltottsáv-szélessége és a szórócentrumok mérete folytán ennél a mintánál elkülönülnek azok a spektrális tartományok, amelyben a vastagság inhomogenitása, illetve amelyben a szórás hatása jelentős. Ha azonban átfeés van a két epolarizációs forrás jellemző spektrális tartományában, akkor ennek a korrekciós eljárásnak még nagyobb jelentősége lehet, mivel a kvázi-epolarizációs csúcsok amplitúóját csak a korrigált epolarizációs spektrum fogja helyesen visszaani. Ezt támasztotta alá egy csoport [9], akik publikációjukban az általam javasolt mószert szóró tulajonságú polimer rétegek esetén alkalmazták; itt a szórás és a vastagság-inhomogenitás miatti epolarizációs struktúrák együtt vannak jelen egy szélesebb spektrális tartományon. Ebben az esetben a szórás okozta epolarizáció leválasztása után meghatározott mintatulajonságok figyelembe vételével az optikai aatsorok a mért aatok közvetlen átszámolásával is nagy pontossággal megkaphatóak voltak. Ez a korrekciós eljárás a fejezet legfontosabb ereménye Az ellipszometriai spektrumok kiértékelése Az ellipszometriai aatsorok kiértékelése előtt fontos megjegyezni, hogy a üllermátrix elemek 11 -gyel való leosztása csak a epolarizáció értékében ereményezhet változást, a és értékek változatlanok maranak. A -re és -ra korábban megaott efiníciók és 3 kifejezések alapján egyszerűen belátható, hogy a korrigált értékek megegyeznek a korrigálatlanokkal. korr korr 1 1 tan 1 tan tan tan

62 5. EREDÉNYEK A korábban bemutatott négy mérési pontban rögzített és spektrumokat mutatja a. ábra. ár a kiértékelés elvégzése előtt, pusztán a görbék alakjából számos információt nyerhetünk a vizsgált rétegről. A mért és aatsorokon is megfigyelhető a spektrum egyes tartományainak eltérő viselkeése. A 3,3 ev-nál kisebb fotonenergiákon megfigyelhető oszcilláció egyértelmű bizonyítéka a vékonyréteg jelenlétének, ugyanis a réteg aljáról és tetejéről visszaverőő sugarak interferenciája okozza a perioikus struktúrákat. A csúcsok távolságából a rétegvastagságra is következtethetünk: minél vastagabb a réteg, annál több fotonenergia-értéknél teljesülhet a konstruktív interferencia feltétele, így annál több oszcillációs maximumot látunk. A moellalkotás előtt tehát már tuhatjuk mien előzetes ismeret nélkül is, hogy a mintánk tartalmaz egy olyan félvezetőréteget, amelynek tiltottsávszélessége 3,3 ev-nál van, ez a réteg eltérő vastagságú az egyes pozícióknál, és az a pozícióban a legvékonyabb, míg a b pozícióban a legvastagabb. Az optikai aatok és a pontos rétegvastagságok meghatározásához azonban elengehetetlen a moell felépítése.. ábra: A mért és az illesztésből aóó és spektrumok a vizsgált minta négy különböző pozíciójában. A ZnO vékonyrétegek kiértékeléséhez használt moellben a szilícium horozón két réteget vettem figyelembe a ZnO réteg és a felületi éresség leírására. A horozó optikai viselkeését a [6] közlemény aataival írtam le, míg a ZnO vékonyréteg esetén oszcillátormoellt alkalmaztam. Az éresség réteget a ZnO és levegő 1:1 arányú összetételéből alkotott effektív közeg közelítéssel efiniált réteg írta le.1.3 fejezet. 6

63 5. EREDÉNYEK A ZnO optikai viselkeését, és ezáltal a mért spektrumok alakját az abszorpciós él határozza meg. A ZnO mereek abszorpciós élének alakja jól közelíthető a Psemi- nevű oszcillátorral, amelyet a.1.3 fejezetben részletesen is bemutattam, és amelynek alkalmazhatóságát a ZnO rétegekre már más csoportok is bizonyították [91-93]. A Psemi- oszcillátor tehát az abszorpciós él felfutását írta le a moellben, emellett a látható és az infravörös tartományban is szükség volt egy kismértékű abszorpció bevezetésére a mért aatok leírásához, amit egy Drue- és egy Lorentz-oszcillátor segítségével vettem figyelembe. A epolarizáció leírása az utolsó fontos pont a moell kapcsán. Az előző fejezetben láttuk, hogy a beesési szög bizonytalansága fókuszált nyaláb alkalmazásakor, illetve a véges sávszélesség hatása minen esetben jelen van az ellipszometriai mérés során. Az azonban, hogy mekkora hozzájárulással szerepelnek a epolarizációs spektrumban, a minta tulajonságaitól is függ. A 3. A ábra a és b, homogén vastagságú területeken mért epolarizációs spektrumai nem mutatnak jelentős epolarizációt, így a fejezet alapjául szolgáló publikációban [T] látható kiértékelésben nem szerepel a szögbizonytalanság és a sávszélesség. ivel a ZnO rétegnél a vastagság-inhomogenitás a fő epolarizációs forrás, a epolarizációs spektrum alakját és fő jellegzetességeit már így is jól lehetett reproukálni. Az előző fejezet ereményei alapján azonban az illesztéseket olyan moellt használva is elvégeztem, ahol a vastagság-inhomogenitás paraméter szerepelt illesztési paraméterként, míg a szögbizonytalanság és a sávszélesség paraméter értékeit az előző fejezettel megegyezően 3 os és 4 nm-es értékkel vettem figyelembe. zámszerűsítve az értékeket, ennek a két további paraméternek a figyelembe vétele a rétegvastagság értékében átlagosan,3%, míg törésmutató esetén,3, az extinkciós együtthatónál peig,1 eltérést okoz, így ennél a mintánál nincs jelentős hatásuk. A tapasztalt eltérések olyan mértékűek, amelyeknél a szénrétegek esetén is elhanyagolhatónak tekintettem a epolarizáció hatását l. 15. ábra. Az így elvégzett illesztések 3, és 1,6 közötti E értékeket atak 6. táblázat. Ezek az értékek, valamint a. ábra grafikonjai is az illesztés helyességét támasztják alá. További ellenőrzési lehetőséget biztosít az, ha a kiválasztott mérési pontok környezetében elvégzett mérések alapján megrajzoljuk a mérési pontok környezetének vastagságtérképét. A vastagságtérképek és a mérőfolt méretének ismeretében meg tujuk határozni a mérőfoltba eső területhez tartozó legkisebb és legnagyobb vastagságokat, amelyből becslést ahatunk a vastagság-inhomogenitás paraméter értékére. Esetünkben a vastagság-inhomogenitással 63

64 5. EREDÉNYEK jellemezhető c és pontban elvégzett mérések kiértékelésekor 4,% és 4,1%-os érték aóott a vastagság-inhomogenitás paraméterre. A mérőfolton belüli vastagságváltozás a vastagságtérképek alapján 38,6 nm a 787,3 nm-es központi vastagságú területen, míg 69,5 nm az 173,4 nm-es területen. Ezek 4,9%-nak és 4,%-nak felelnek meg 6. táblázat. Terület a b c Vastagság nm 136,4,5 33,3 6, 787,3 3,7 173,4 1,9 E 3, 1,6 5,4 9,1 Vastagságváltozás a mérőfolton belül nm 5,5 6,9 38,6 69,5 6. táblázat: A ZnO rétegek különböző területein mért ellipszometriai aatsorok kiértékeléséből kapott vastagság értékek a szoftver által megaott bizonytalansággal, az E paraméter és a mérőfolton belüli vastagságváltozás értékei. 3. ábra: A A korrekció után kapott epolarizációs spektrumok és az illesztett görbék. B Az illesztésből aóó törésmutató és extinkciós együttható értékek a vizsgált minta négy különböző pozíciójában. A 3. B ábra alapján jól látható, hogy a szóró területeken a törésmutató minen esetben kisebb, mint a sima felszínen mért aatok. A törésmutató maximális értékének csökkenése mellett a iszperziós görbék alakja is kismértékben megváltozik. Az egyes területeken megfigyelhető jelentős felületi strukturáltság jól láthatóan a kristályszemcsék 64

65 5. EREDÉNYEK méretének megnövekeése folytán alakult ki vö. 19. ábra. Így tehát a törésmutató csökkenése a kristályszemcsék méretének növekeése folytán figyelhető meg, amely tenencia összhangban van más csoportok megfigyeléseivel [94] A fejezethez kapcsolóó tézisem: T3. Elsőként atam meg a kvázi-epolarizációs források és a véletlenszerű epolarizációs források együttes leírását lehetővé tevő üller-mátrixot. egmutattam, hogy a üller-mátrix megfelelő elemével a mért aatsorokon elvégzett korrekció lehetőséget a arra, hogy a epolarizációs spektrumban különválasszuk a véletlenszerű és a kvázi-epolarizációs források járulékát. Az elméleti leírás mellett szilícium szeleten lévő ZnO rétegeken mért kísérleti aatokkal is alátámasztottam a korrekciós eljárás alkalmazhatóságát [T]. 65

66 5. EREDÉNYEK 5.4 Pepti vékonyrétegek ellipszometriai vizsgálata Az ellipszométer és a minta egyes tulajonságai következtében fellépő epolarizáció hatásainak bemutatása után ebben a fejezetben egy újabb mintatulajonság, a szigetesen elhelyezkeő réteg miatti epolarizációt vizsgáltam. Ehhez i horozóra leválasztott különböző pepti rétegek ellipszometriai vizsgálatát végeztem el. Az alkalmazott peptieket és a mintakészítés lépéseit a 4.1 fejezetben mutattam be A pepti rétegekre alkalmazott ellipszometriai moellek A pepti rétegek ellipszometriai kiértékelése előtt a i horozó viselkeését vizsgáltam meg. A mintakészítés során a i lapok először hirogén-fluori vizes olatába lettek mártva, hogy a felületükön lévő natív oxi réteg vastagsága minél kisebb legyen. A HF-ban történő kezelés után két kontroll mintát ellipszométerrel megmérve azt tapasztaltam, hogy a mért aatok illeszkeése.913 nm-es p-típusú i lap és 1.64 nm-es oxi réteget n-típusú i lap feltételezve ata a legjobb ereményt. i felület HF híg olatában 4% történő maratása esetén a felületi felurvulása nem jelentős [95]. A felépített moellben ezek alapján a i horozón optikai aatok a [6] közlemény alapján oxiréteg jelenlétét tételeztem fel, amelynek vastagságát konstans 1 nm-es értékkel vettem figyelembe. Ezen az oxiréteggel bevont i horozón helyezkeett el a pepti réteg. A pepti rétegek optikai viselkeésének leírására három különböző moellt alkalmaztam, amelyek legfontosabb tulajonságait veszem sorra a következőkben a p-típusú i lapokra leválasztott peptiekhez kötőő ereményeimmel illusztrálva Átlátszó réteg Az első moell alapfeltételezése az volt, hogy a pepti rétegek homogén és összefüggő vékonyréteget alkotnak a horozó felszínén, továbbá, hogy a vizsgált fotonenergiatartományon átlátszóak. Ehhez a törésmutató iszperzióját a ellmeier-féle iszperziós moellel írtam le.3.1 fejezet. Az átlátszó réteg moellt használva a mért és illesztett és aatok szemmel láthatóan sem feik egymást egyes spektrális tartományokon 4. a ábra, ezzel összhangban az E értékek is azt mutatták, hogy az illesztés jósága nem kielégítő 7 Táblázat 1. része. A moellből számolt aatok eltérése a mért aatoktól minenképp arra utal, hogy a moellrenszer nem aja vissza a tényleges mintára jellemző szerkezeti és/vagy optikai tulajonságokat. Ennek egy magyarázata lehetne a biológiai mintákra gyakran jellemző 66

67 5. EREDÉNYEK anizotróp viselkeés. A felületre merőlegesen elhelyezkeő fehérjeláncok optikai anizotrópiája pélául a [96] referenciában kerül tárgyalásra. Az általunk alkalmazott peptiek minössze 1 aminosavat tartalmaznak, így a láncos szerkezet kialakulását kizárhatjuk, ezzel peig az anizotróp viselkeést is. A rétegek ellipszometriai leírásának pontosabbá tétele érekében két további lehetőséget vettem figyelembe: másoik moellemben a pepti réteg optikai aatait változtattam meg kis mértékben abszorbeáló réteg moell, míg a harmaik moell esetén a réteg szerkezetének megváltoztatásával szigetes réteg moell egészítettem ki az első moellt. 4 a átlátszó réteg 4 b abszorbeáló réteg 4 c szigetes réteg ért 65 1 ért 7 ért 75 Illesztett 65 Illesztett 7 Illesztett Fotonenergia ev Fotonenergia ev Fotonenergia ev 4. ábra: A P1 pepti esetén kapott illesztési eremények az a átlátszó réteg, b abszorbeáló réteg és c szigetes réteg moellt használva. Az átlátszó réteg moellnél az illesztett görbék 1,4 és 3 ev között láthatóan nem írják le a mért aatsorokat. Ezzel szemben az abszorbeáló és a szigetes réteg moell látszólag nagyon hasonló illesztett görbéket ereményez. 67

68 5. EREDÉNYEK inta 53 nm vastagság nm E 53 nm 53 nm vastagság nm E 53 nm feettség % E effektív vastagság nm P1 P P3 P1-B P3-B PC oell átlátszó réteg abszorbeáló réteg szigetes réteg táblázat: A három különböző moellhez tartozó illesztési eremények Abszorbeáló réteg A réteg optikai viselkeésének kismértékű megváltoztatását ebben a moellben egy gyenge abszorpciót leíró Gauss-oszcillátor bevezetésével értem el. Az ebből a moellből számolt illesztett görbék sokkal jobban átfenek a mért aatokkal 4. b ábra, az E értékek peig átlagosan az átlátszó moellnél kapott értékek harmaára estek vissza 7. táblázat. szakasza. Ha pusztán az illesztés jóságát jellemző E paraméterre támaszkonánk a kiértékelés során, akkor ezt a moellt már el is fogahatnánk, mint a minta helyes reprezentációját. zükséges azonban megjegyezni, hogy a később elvégzett, független vizsgálatok és a epolarizációs spektrumok analízise alapján látni fogjuk, hogy ez a moell nem helyes. Amiért mégis fontosnak tartottam bemutatni az ebből kinyert ereményeket, az az, hogy hangsúlyozzam, hogy az ellipszometriai kiértékelés vezethet helytelen ereményre, így nagyon fontos a minél több aat rögzítése akár az ellipszométerrel pl. epolarizáció mérése, akár független mintakarakterizálási mószerek bevonásával pl. AF vagy abszorpciómérés zigetes réteg A harmaik moellnél ismét az első moellben használt ellmeier-féle iszperziós összefüggéssel efiniáltam a pepti rétegek optikai viselkeését, azaz átlátszó rétegeket 68

69 5. EREDÉNYEK tételeztem fel; viszont elvetettem az eigiekben alkalmazott feltevést, miszerint a réteg homogén és összefüggő bevonatot alkot a horozó felületén, és a réteget szigetes szerkezettel vettem figyelembe. Ennél a moellnél a réteg nem fei teljesen a horozót, így a fény egy része a horozó felületéről verőik vissza, míg másik része a réteggel bevont területről. Ez ahogy az. fejezetben bemutattam gyakorlatilag tekinthető a vastagság-inhomogenitással jellemezhető rétegek határesetének, ami a matematikai leírásban azt jelenti, hogy két különböző mintarészhez tartozó üller-mátrix megfelelően súlyozott átlagolásával kapjuk a mintát ténylegesen leíró üller-mátrixot [49], ahol a súlyozás a feettségi arány szerint történik. A moellben tehát a feettségi arányt is illesztési paraméterként tujuk efiniálni, így a kiértékelés elvégzésével erről is információt nyerünk l. 7. táblázat harmaik szakasza. Az illesztés nagyon hasonló E értékkel jellemezhető, mint az abszorbeáló réteget feltételező moell esetén, és a mért és illesztett görbék is átfenek 4. c ábra A pepti réteg leírására alkotott moellek összehasonlítása Azt már láttuk, hogy a három moell eltérő feltételezéseken alapul, az illesztések jóságát tekintve viszont csak az átlátszó réteg moell esetén látunk jelentős eltérést, az abszorbeáló és a szigetesen elhelyezkeő rétegnél nagyon hasonló illesztést lehetett elérni. A moellek összehasonlításakor azonban az illesztés jósága mellett fontos a moellekből kapott vastagságértékek, illetve optikai függvények összevetése. ivel a szigetesen elhelyezkeő réteg esetén a rétegvastagság önmagában nem fogja jellemezni a réteget alkotó anyag mennyiségét, ezért bevezettem az effektív rétegvastagságot, ami a rétegvastagság és a feettségi arány szorzata. Homogén és folytonos rétegeknél a feettség 1%, így az első két moellnél az effektív vastagság megegyezik a rétegvastagsággal. Ezeket az értékeket is feltüntettem a 7. táblázatban. A 5. ábrán az ellipszometriával meghatározott effektív rétegvastagságok az AF képek analíziséből aóó rétegvastagságokkal együtt szerepelnek. Az AF vizsgálatokat egy későbbi alfejezetben ismertetem. 69

70 Effektív vastagság nm 5. EREDÉNYEK átlátszó réteg abszorbeáló réteg szigetes réteg AF P1 P P3 P1-B P3-B PC4 inta 5. ábra: A pepti rétegek effektív vastagsága az átlátszó réteget fekete négyzet, az abszorbeáló réteget piros körlap, és a szigetesen elhelyezkeő réteget kék háromszög feltételező moellekből, valamint az AF képek alapján zöl négyzet. Annak ellenére, hogy a különböző moellek nagyon különböző rétegtulajonságokon alapulnak, az egyes peptiek szilícium felülethez való kötőési tulajonságuk közötti különbségeket minegyik jellemzi. Ami még fontosabb, hogy ezek az értékek az AF-mel meghatározott vastagságokkal is jó egyezést mutatnak. A három moellből kinyert vastagságértékek további vizsgálatánál feltűnhet, hogy szisztematikusan az abszorbeáló réteg moell aja a legnagyobb vastagság értékeket, míg az átlátszó, folytonos réteg a legkisebbeket. Ez azzal magyarázható, hogy vékonyrétegek esetén amelyek vastagsága az 5-1 nm-es határnál kisebb a rétegvastagság és a törésmutató korrelált lehet, így tulajonképpen az optikai úthosszat tujuk nagy pontossággal meghatározni az ellipszométerrel a tényleges vastagság és törésmutató helyett. ivel az egyes moelleknél a réteg optikai tulajonságai különböző függvényekkel vannak efiniálva, és az ereményül aóó törésmutatók az abszorbeáló rétegnél a legkisebbek és a folytonos, átlátszó rétegnél a legnagyobbak, így n állanó voltából aóóan szükségszerűen forított tenenciát fogunk látni a rétegvastagságokban. Korábban láttuk, hogy az abszorbeáló réteg moell és a szigetesen elhelyezkeő, átlátszó réteget feltételező moellek alkalmazásánál nagyon hasonló az illesztett görbék alakja. Emellett az effektív vastagságértékek is hasonlóak annak ellenére, hogy a moellek min a réteg optikai viselkeését tekintve, min peig szerkezetet vizsgálva nagyon különböző alapokon nyugszanak. Alaposabban megvizsgálva az ezen két moellben efiniált rétegek törésmutatóját és extinkciós együtthatóját 6. ábra jól látszik, hogy az abszorbeáló 7

71 Törésmutató Extinkciós együttható 5. EREDÉNYEK moellnél bevezetett gyenge abszorpció miatt a törésmutató anomális iszperziót mutat az 1,4 ev és 3,5 ev-os tartományon, és átlagos értéke 1,3 körüli. Ezzel szemben a szigetesen elhelyezkeő réteg az alkalmazott ellmeier-formula szerint átlátszó k=, így a törésmutató iszperziója is normális, átlagos értéke peig 1,5-1,6 között mozog. Tehát az optikai függvényeket tekintve nagyon jelentős eltérések mutatkoznak a két moell között a bemutatott eremények a P3 peptien mért aatsorok kiértékeléséből aótak abszorbeáló réteg szigetes réteg Fotonenergia ev ábra: A P3 pepti réteget jellemző törésmutató és extinkciós együttható az abszorbeáló réteg moellben folytonos vonal és a szigetes réteg moellben szaggatott vonal. További különbségek látszanak a két moell által jósolt epolarizációs spektrumokban. ivel az abszorbeáló réteg moellben a pepti réteg efiníció szerint homogén és folytonos bevonatot képez a szilícium horozó felületén, így a réteg tulajonságai alapján nem jelenhet meg epolarizáció. Ha az ellipszométer tulajonságai miatti epolarizációs forrásokat tekintjük, akkor szimulációk alapján megállapítható, hogy sem a nyaláb ivergenciája párhuzamos nyalábbal történő mérések esetén kisebb, mint,1, sem a 4 nm-es sávszélesség paraméter nem okoz jelentős epolarizációt. A,1 -os szögbizonytalanság és a 4 nm-es sávszélesség esetén a epolarizáció átlagos értéke,1% és,1% alatt mara a P3 pepti réteg abszorbeáló moellből nyert vastagságát és optikai tulajonságait feltételező szimuláció alapján. Ezzel szemben a szigetesen elhelyezkeő rétegnél megnövekeő epolarizációra számíthatunk, mivel két különböző mintaszerkezetről visszaverőő fénynyaláb összegzőik a etektorban. A 7. ábrán a két moell alapján abszorbeáló és szigetesen elhelyezkeő réteg moellek a P3 pepti réteg tulajonságaival számolt epolarizációs spektrumok, és ugyanezen a mintán különböző pontban mért epolarizációs spektrumok láthatóak. Ha a számolt epolarizációs spektrumokat összehasonlítjuk a mért aatsorokkal, akkor látható, 71

72 Depolarizáció % 5. EREDÉNYEK hogy a mért görbék alakjukat tekintve visszaaják a szigetesen elhelyezkeő réteget feltételező moellből számolt görbét, azonban az értékek kisebbek, és aott minta különböző pontjaiban is igen különböző epolarizációt mérhetünk. ivel a mért epolarizációs görbék nem anak 1%-os bizonyítékot a szigetesen elhelyezkeő réteg moell helyességére, így további mintakarakterizálási technikákat is alkalmaztam a rétegek még alaposabb vizsgálatához. 5 abszorbeáló réteg szigetes réteg 1. mérési pont. mérési pont Fotonenergia ev 7. ábra: Az abszorbeáló réteg moell és a szigetesen elhelyezkeő réteg moell alapján számolt epolarizációs spektrumok a P3 pepti réteg jellemzőit feltételezve, valamint ugyanezen P3 réteg két pontjában mért epolarizációs spektrumok Abszorbancia mérések Az alkalmazott moellekben nagyon eltérőek a peptiek optikai tulajonságai. Annak érekében, hogy az abszorbeáló és az átlátszó réteget feltételező moellek közül egyértelműen el tujuk önteni, hogy melyik írja le helyesen az alkalmazott peptiek optikai viselkeését, megmértük a pepti olatok abszorbancia spektrumát. A mérés során a /m 3 koncentrációjú pepti olatokat 1 cm hosszú küvettában helyeztük a,5-6,5 ev-os tartományban műköő, UNICA UV4 spektrofotométerbe. A mért abszorbancia spektrumok a 8. a ábrán láthatóak. 7

73 5. EREDÉNYEK 8. ábra: a A mért abszorbancia értékek. b Az abszorbancia értékekből számolt extinkciós együtthatók az ellipszometriai méréseknek megfelelő fotonenergia-tartományon. Ezek az eremények közvetlenül még nem vethetők össze az ellipszometriai moellekből meghatározható extinkciós együttható értékekkel; ehhez további megfontolásokra van szükség. Az extinkciós együttható, amit az ellipszométeres mérésből meg tuunk határozni, a szilícium felületen megkötött és kiszárat pepti rétegre vonatkozik. Így a küvetta 1 cm-es hosszát, ami az abszorbancia méréseket jellemzi, nem tujuk megfeleltetni a peptiek vastagságának, ugyanis itt a peptiek olatban szerepelnek. Tehát elsőként azt a vastagságot kell meghatároznunk, amit kiszáraás után egységnyi felületen alkotna az 1 cm-es vastag küvettában elhelyezkeő pepti olat. Ez a térfogat V=m pept, a tömeg m és a sűrűség összefüggése alapján: m pept, ahol az olott anyag tömegét a következő összefüggés alapján A határozhatjuk meg: m n cv c A, ahol c a pepti olat koncentrációja c = olat olat /m 3, olat a küvetta vastagságával egyezik meg, A a küvetta megvilágított felülete, peig a peptiek moláris tömege 156 g/mol az együttműköő partner aatai alapján. A két összefüggésből pept esetén kifejezhető: pept colat, ahol a peptiek sűrűségét =1,54 g/cm 3 értékkel vettem figyelembe a [97] közlemény alapján. Ezeket a számolásokat elvégezve a küvettában lévő olat kiszáraása után 163 nm-es vastagságú réteget alkotna a pepti. Az abszorbancia eremények extinkciós együtthatóra történő átszámolásakor tehát ezt a rétegvastagságot kell figyelembe vennünk. 73

74 5. EREDÉNYEK A transzmisszió T és az abszorbancia A között fennálló reláció, valamint a Beer Lambert-törvény felhasználásával a következő összefüggéshez jutunk [98]: T 1 A I I T I e I pept 4k e pept, ahol I T az átmenő intenzitás, I a beeső intenzitás, az abszorpciós együttható, pept a pepti réteg vastagsága, a hullámhossz, k peig az extinkciós együttható. Az ily móon meghatározott extinkciós együtthatókat mutatja a 8. b ábra a fotonenergia függvényében. eg kell jegyeznünk, hogy a bemutatott számolás csak közelítő értéket a az extinkciós együttható értékére, így minössze arra lehet használni, hogy az extinkciós együttható spektrumok esetleges struktúráit feltárjuk; az ellipszometriai moellezésnél referenciaként nem alkalmasak. Azonban már ez az egyszerű közelítés is bizonyítja, hogy az abszorbeáló réteget feltételező moellben 3 ev környékén megjelenő,,8-as maximális értékű extinkciós csúcs biztosan nem felel meg a peptiek tényleges optikai viselkeésének. A P pepti esetén megfigyelhető kismértékű extinkció növekeés 4,5 ev-nál a csak ebben a peptiben megtalálható triptofánhoz köthető AF vizsgálatok Az ellipszometriai vizsgálatok kiegészítése és alátámasztása érekében a pepti rétegekről AF képeket is rögzítettünk a fejezetben leírtaknak megfelelően. A 9. ábrán az AF-mel meghatározott topográfia A, B, C és D és fázisképek E, F, G és H láthatók renre a P1, P, P3 és PC4 peptiekre. 74

75 5. EREDÉNYEK 9. ábra: AF-mel meghatározott topográfia A, B, C és D, és fázisképek E, F, G és H renre a P1, P, P3 és PC4 peptiekre. A topográfiás képek lehetővé tették a rétegvastagság és feettség meghatározását, míg a fázisképek a különböző vastagsággal jellemezhető területek eltérő anyagi minőségét támasztják alá. A színskála szélső értékei a topográfia képeknél és nm, míg a fázisképeknél és 5. A fehér méretjelzéshez tartozó távolság 5 m. Kvantitatív analízis elvégzése nélkül is számos információt nyerhetünk a 9. ábra alapján. Az E-H képek alapján a nagyobb magasságú területek és a horozó anyagi minősége élesen elkülönül, mutatva, hogy a pepti tényleg szigetesen helyezkeik el, ami alátámasztja az ellipszometriai moellezés helyességét. Az is látható, hogy a szigetek mérete és magassága eltérő. 75