一种p型透明导电薄膜介电函数和电子关联度的获取方法 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明涉及p型透明导电薄膜介电函数和电子关联度的获取方法，属于椭偏光学测量技术领域。背景技术：2.常见的透明导电薄膜多为n型掺杂，而p型掺杂透明导电薄膜较为罕见，且其性能远落后于n型。强关联体系是构建p型透明导电薄膜的有效途径，一方面电子之间的强库伦作用力，能够加强价带间的耦合，促进p型透明导电薄膜的导通；另一方面，强电子耦合性促使屏蔽等离子体能量转移到可见区以下，从而提高光学透明度。因此电子关联度与p型透明导电薄膜的开发息息相关，是制备p型透明导电薄膜的关键参考参量。电子关联度可由有效质量体现，而有效质量可通过介电函数计算得到。此外，介电函数不仅能够体现透明导电薄膜材料的光学特性而且也体现了电学特性。因此获取p型透明导电薄膜材料的介电函数和电子关联度，可促进基于p型透明导电薄膜材料的光电器件的设计与制备，推动相关技术领域和应用领域的发展。目前现有技术中，电子关联度一般由传统磁学测量手段获取，而这一测量手段需要在薄膜材料上制备电极，会损坏薄膜表面。技术实现要素：3.发明目的：本发明的目的是提供一种无需制备电极即可获取薄膜介电函数和电子关联度的方法。4.技术方案：本发明所述的一种p型透明导电薄膜介电函数和电子关联度的获取方法包括如下步骤：5.(1)测量p型透明导电薄膜样品的椭偏光谱得到其椭偏参数；6.(2)建立包含极振子、德鲁德振子和洛伦兹振子的联合色散模型，用于表示介电函数随波长变化规律；7.(3)结合模拟椭偏参数和实验椭偏参数建立第一评价模型，以测得的椭偏光谱为目标，基于所述联合色散模型初始化设置该色散模型参数和膜厚，使用椭偏反演计算方法，对椭偏光谱进行评价得到所述联合色散模型的最佳拟合参数以及膜厚；8.(4)建立包含p型透明导电薄膜电阻率的光学计算值和电学测量值的第二评价模型，对椭偏光谱进行评价得到p型透明导电薄膜的最佳介电函数；9.(5)根据所述最佳介电函数转换得到光电导率，结合德鲁德模型拟合得到的等离子体频率计算所述p型透明导电薄膜样品的归一化电子关联度。10.进一步地，所述第一评价模型的公式为：[0011][0012]其中ψ为反射前后p光和s光的振幅比、δ为二者的相位差，下标cal代表椭偏参量模拟计算值，下标exp代表实验值，error代表误差，q为总的波长数量。[0013]进一步地，所述第二评价模型的公式为：[0014]pmse＝((ρ0cal-ρ0exp)/ρ0exp)×100％[0015]其中ρ0为p型透明导电薄膜的电阻率，下标cal代表计算值，下标exp代表实验值；[0016]其中p型透明导电薄膜的电阻率的计算值由拟合得到的等离子频率ωp和散射时间τ计算得到，计算公式如下：[0017]ρ0cal＝1/σ0＝(ε0ωp2τ)-1。[0018]进一步地，步骤(4)中得到最佳介电函数的判别依据是pmse的值为0～10％，否则返回步骤(3)，重新初始化设置联合色散模型参数或返回步骤(2)调整洛伦兹振子的数量，重新初始化并重复步骤(3)和(4)。[0019]进一步地，步骤(3)中当所述第一评价函数为最小值时，得到最佳拟合参数。[0020]进一步地，所述联合色散模型包括一个极振子、一个德鲁德振子和三至六个洛伦兹振子。[0021]进一步地，所述联合色散模型的公式为：[0022][0023]其中，极振子由en0和a确定，分别代表振子中心能量和振子振幅；德鲁德振子由a和γ确定，分别代表振子的振幅和展宽系数；洛伦兹振子由a、en0和γ确定，分别代表振子的振幅，峰值强度和展宽系数，j代表洛伦兹振子的序号。[0024]进一步地，步骤(5)中的所述归一化电子关联度的公式为：[0025]m*＝e2ne/ε0ωp2[0026]zk＝mband/m*[0027]其中ne为载流子浓度，ε0为真空介电率，zk为电子关联度归一化参量，mband为自由非相互作用电子有效质量，m*为电子-电子相互作用的重整化电子有效质量，ωp为等离子体频率。[0028]进一步地，步骤(5)中通过德鲁德模型拟合得到等离子体频率ωp和散射时间τ的公式为：[0029][0030]其中ω、ε2光电导率由介电函数转换得到，其转换表达式如下：[0031]σ1＝ωε0ε2[0032]其中ω为角频率、ε2为复介电函数的虚部。[0033]有益效果：本发明与现有技术相比的优点在于：针对薄膜材料的椭偏光谱提出了数值和物理双重评价体系，确保了获取p型透明导电薄膜介电函数的精准性和有效性；在无需制备电极的条件下，依据测得的有效最佳介电函数，通过光学参量计算即可无损的获取透明导电薄膜的电子关联度，具有无扰动、高精度、无破坏性及测量速度快等优点。附图说明[0034]图1为本发明的方法流程图。[0035]图2为本发明实施中ptcoo2薄膜的拟合光电导率图。[0036]图3是本发明实施例中ptcoo2薄膜随温度变化的电阻率值图。[0037]图4是本发明实施例中ptcoo2薄膜的介电函数图。[0038]图5为本发明实施例中的联合色散模型最佳拟合参数图。[0039]图6为本发明实施例中的ptcoo2薄膜相关参数。具体实施方式[0040]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。[0041]如图1所示，本实施例以ptcoo2透明导电薄膜为例，所述p型透明导电薄膜介电函数和电子关联度获取方法，包括以下步骤：[0042]步骤1：测量ptcoo2透明导电薄膜的椭偏光谱，得到该薄膜样品的椭偏参数(ψ,δ)，其中ψ为反射前后p光和s光的振幅比、δ为二者的相位差。[0043]具体地，使用武汉颐光科技有限公司生产的光谱椭偏仪，测量ptcoo2薄膜的椭偏光谱。测量在室温下进行，入射角度固定为65°，测量的波长范围为245～1000nm。[0044]步骤2：建立包含一个极振子、一个德鲁德振子和六个洛伦兹振子的联合色散模型。[0045]本发明实施例中所建立的联合色散模型，其函数表达式由式(1)表示：[0046][0047]其中，极振子由en0和a确定，分别代表振子中心能量和振子振幅。德鲁德振子由a和γ确定，分别代表振子的振幅和展宽系数。洛伦兹振子由a、en0和γ确定，分别代表振子的振幅，峰值强度和展宽系数，j代表洛伦兹振子的序号。[0048]本实施例中联合色散模型是通过特定的函数表达式来表示材料的介电函数随波长的变化的规律。所述极振子用来描述245-1000nm波段以外即紫外和红外波段的吸收产生的色散，为zero-broadening零振子，仅影响介电函数的实部；所述德鲁德振子用来描述低频区域自由电子(载流子)对介电函数的影响；所述洛伦兹振子用来描述高频波段区域带间跃迁特征。[0049]步骤3：以测得的椭偏光谱为目标，基于联合色散模型设置该模型参数和膜厚初始值，使用椭偏反演计算方法，结合由模拟椭偏参量和实验椭偏参量构建的第一评价模型，进行一次评价获取薄膜样品的初步介电函数，本发明实施例中设置ptcoo2薄膜初始厚度为15nm。[0050]其中薄膜光学反演计算的算法包含但不限于模拟退火-蚁群算法、模拟退火算法。[0051]其中获取初步介电函数的判别依据是数值评价函数的大小，当评价函数最小时，获得相应的结果，该评价函数如图6所示。评价函数mse表达式由式(2)表示：[0052][0053]其中q代表总的波长数量，cal代表椭偏参量模拟计算值，exp代表实验值，error代表误差。[0054]经过对椭偏光谱进行一次评价后得到联合色散模型最佳拟合参数如图5所示，薄膜的最佳厚度为15.2nm。[0055]步骤4：建立包含ptcoo2透明导电薄膜的电阻率的光学计算值和电学测量值的第二评价模型，第二评价模型为物理评价函数，对椭偏分析结果进行二次评价判别获取薄膜的最佳介电函数，具体步骤如下：[0056]步骤4-1：本发明实施例中使用的等离子体频率ωp和散射时间τ通过德鲁德模型拟合光电导率得到，其拟合公式由式(3)表示：[0057][0058]本发明实施例中通过公式(4)将介电函数转换获取光电导率，其转换表达式如下：[0059]σ1＝ωε0ε2ꢀꢀ(4)[0060]本发明实施例中通过得到的初步最佳介电函数-光电导率之间相互转换，可以进一步得到薄膜的光电导谱，得到的拟合结果如图2所示，在等离子体频率ωp＝4.32×1015s-1和散射时间τ＝2.96×10-13s时获得最佳拟合，其中真空介电率为ε0＝8.9×10-12f/m。[0061]步骤4-2：由已得到的等离子体频率ωp以及散射时间τ两个物理参量计算得到电阻率ρ0，计算公式由式(5)表示：[0062]ρ0＝1/σ0＝(ε0ωp2τ)-1ꢀꢀ(5)[0063]通过公式计算得到的电阻率为ρ0cal＝2.03μωcm，实际实验得到的室温电阻率为ρ0exp＝1.85μωcm，实验结果如图3所示。[0064]步骤4-3：依据计算得到的电阻率和实验得到的电阻率，构建包含薄膜电阻率的光学计算值和电学测量值的物理评价函数，其表达式由式(6)表示：[0065]pmse＝((ρ0cal-ρ0exp)/ρ0exp)×100％ꢀꢀ(6)[0066]计算得到物理评价函数pmse大小为9.72％，说明得到的介电函数合理，即为所测ptcoo2透明导电薄膜的最佳介电函数，薄膜的最佳介电函数如图4所示。[0067]步骤5：通过得到的等离子体频率ωp可计算其电子-电子相互作用的重整化电子有效质量m*，计算公式由式(7)表示：[0068]m*＝e2ne/ε0ωp2ꢀꢀꢀ(7)[0069]其中ne＝4.5×1022cm-3为载流子浓度，基本电荷e＝1.6×10-19c，真空介电率为ε0＝8.9×10-12f/m，计算得到m*＝69.53×10-31kg。[0070]根据以上结果可以进一步计算获取归一化电子关联度，计算公式由式(8)表示：[0071]zk＝mband/m*ꢀꢀ(8)[0072]其中mband和m*分别是自由非相互作用电子有效质量和包含电子-电子相互作用的重整化电子有效质量，其中mband＝9.1×10-31kg，则计算得到电子关联度为zk＝0.13。本发明实施例的相关参数由图6所示。









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