调整光学方法用于纳米级测量

在纳米尺度范围内，一些我们熟悉的材料特性会改变。因此随着向纳米领域探索的深入，不仅要表征新材料，而且越来越需要对熟知的材料进行研究。

来自纳米科学与工程学院的纳米科学“帝国创新教授”（Empire Innovation Professor）Alain Diebold正在创建一个探索未来纳米级测量需求的研究型实验室。他正着眼于包含线性模式和非线性模式的多种新老光学技术。如Alain Diebold所述：“椭圆偏振法就是一种线性光学测量方法。你输入某一波长，随即看到该波长的输出。”

椭圆偏振法检测表面或光栅结构的反射光中极化的变化。Diebold教授指出：“分析此变化可以获得薄膜厚度的数据，或者椭圆偏振测量的数据可用于散射测量法；从而你可以了解光栅结构CD的线型和结构。”这些普遍用于半导体材料的测量方法对纳米技术也同样重要。

纳米尺度对线性光学测量的影响很容易被理解。对于非常薄的单晶硅薄膜来讲，其光学特性会因量子局限效应而改变；我们可以将这种特性转变为优点。半导体材料也是如此；因此只需设计出某一单晶薄膜的工序即可。可用于单晶半导体薄膜测量的方法也可用于那些纳米尺度的散射结构。

尽管测量金属薄膜比较困难，但仍有简单的解决方案。“他们已经着眼于非常薄的薄膜，并且已经了解如何克服测量非常薄的、多晶金属薄膜时遇到的难点。同样，晶粒尺寸会影响金属薄膜的介电特性，为了对金属薄膜进行更好地光学测量，他们已了解了如何克服会遇到的难点。”Diebold教授说。

这些技术可以被移植，并且易于根据半导体测量进行调整。它们都将是新实验室一个很重要的研究部分。美国托莱多大学（The University of Toledo）的Rob Collins教授研究了许多种材料，并且确定了如何利用晶粒尺寸对薄膜光学特性的影响，其方法与实验数据非常吻合。

在非线性领域中，同样的光强——波长——输入会得到不同波长的输出。为什么要超越线性测量呢？一个主要的原因是界面总是很难表征，并且二次谐波的产生（SHG）总会带来这样的问题。SHG的频率与输入光不同，而是输入频率的2倍，即2次谐波。

尽管SHG信号强度比输入信号弱许多，但是在某种特定的实验条件以及输入输出光的极化作用下，我们还是可以在界面获得较高的灵敏度。相对于线性光学方法，由光学非线性二次谐波带来的附加灵敏度是相当可观的。

SHG应用的一个经典例子是SiO2/Si界面特性的表征。德州大学（University of Texas）奥斯汀分校的Micheal Downer教授的小组将此方法拓展并应用到硅上的高k材料。同样的概念对于所有纳米级的样品也适用。

纳米级结构也将是该新实验室的一个研究领域。嵌入在SiO2中的硅纳米点便是SHG测量方法在此领域的一个实例。纳米点具有很大的表面积，会产生高强度的二次谐波信号，该信号可用于多种光学特性的表征。纳米点已经试验性地用在未来的存储器概念中；它们也正用于生产高效率，低能耗的商用固态照明器件。

该研究的主要目的是采用线性和非线性光学方法来探索材料中不同的纳米尺寸效应。这些线性和非线性光学方法既可用于了解新材料的特性，也可用于确定这些特性如何用于材料特性的一致性测量，结构特征的一致性测量以及最终生产中所有的纳米级测量。