[发明专利]一种在宽温区精确测量变温椭圆偏振的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在宽温区精确测量变温椭圆偏振的装置和方法，属光学测量技术领域。背景技术

椭圆偏振测量技术(简称椭偏技术)是利用偏振光束在界面或薄膜上反射或透射时出现偏振态的变化,研究界面或薄膜特性的一种光学方法。椭偏技术具有抗干扰性强、高灵敏度、对样品无特殊要求等优点,因而在材料科学、微电子技术、薄膜技术、物理学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。常温椭圆偏振测量术测试温度限制大，不能控温，无法进行样品在不同温度区间的测量，而许多材料在非室温条件下的光电性质也亟待研究，因此，现有的常温椭圆偏振测量装置，就无法实现对于样品在非室温条件下光电性质的测量。现在已有可变温椭圆偏振测量技术，如申请号为201110030726.6、发明名称为“一种温度可变椭圆偏振测量仪样品室装置及其变温方法”、发明人为郑玉祥、蔡清元、陈良尧、张荣君、李晶、王松有、杨月梅，公开了一种温度可变椭圆偏振仪样品室装置及变温方法。其中装置包括气瓶，气阀，电磁阀，杜瓦瓶，样品室，样品台，加热电阻器，温度传感器，温度控制器等。样品室分成上腔体和下腔体两部分，下腔体呈长方体，上腔体侧面呈梯形，在上腔体的两侧斜面上开有光学窗口。所述变温方法分为高温模式和低温模式两种。在低温模式中，利用常温气体加热低温液体产生低温制冷气体，将低温制冷气体经隔热输气管道注入样品室，使样品台达到设定低温。在高温模式中，通过加热电阻器加热，使样品台达到设定高温。但现有技术主要存在如下两个不足：1.变温区间窄：低温温区无法达到液氮温度即77K。2.控温精度差：由于控温电路设计方面的不足，无法实现高精度（0.1K）的温度控制。本装置和方法不再采用现有技术中的通过液氮制冷氮气，再通过已制冷的氮气对样品进行制冷，而是采用液氮直接冷却样品，从而能使低温区的温度下限达到液氮温度77K。如果将液氮换为液氦，还有继续扩充变温区间的潜力。另一方面，本装置和方法通过对控温电路算法和设计上的改进，实现了控温精度的提高。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了一种在宽温区精确测量变温椭圆偏振的装置和方法。

本发明专利的技术方案是按以下方式实现的：

一种在宽温区精确测量变温椭圆偏振的装置，包括光谱式椭偏仪，恒温装置和控温系统，其特征在于恒温装置包括杜瓦瓶、载物台、基座和三维可调节平台，三维可调节平台位于基座上方，能进行三维方向调节，载物台为方桶状，上面开口，下面带底封闭，其四侧面上开有相对的四个窗口，分别由石英玻璃封装密闭，前后两个相对的窗口为观察窗口，左右两个窗口为测量窗口；载物台下底面带有电热丝，载物台位于杜瓦瓶内下部，载物台内与杜瓦瓶内相连通，杜瓦瓶连同载物台置于三维可调节平台上面，杜瓦瓶上面加盖封闭，盖上面带有调节阀（液氮加注口）（通过此口注入液氮即冷量）、温度传感器安装口和真空阀；控温系统包括温度传感器、放大器、单片机，其中温度传感器安装在载物台上，温度传感器经温度传感器安装口由导线连接到放大器的输入端，放大器的输出端连接到单片机，单片机的控制端口连接贴于载物台下部底面的电热丝上以产生热量，控制加热丝电流以调整杜瓦瓶内冷量和热量的平衡从而控制温度；光谱式椭偏仪的入射臂和出射臂分别位于载物台侧面的两个测量窗口处以对放置在载物台内的待测样品进行椭圆偏振测量。

所述放大器是通用集成运放，型号为LM6162。

所述载物台是铜质材料的载物台。

一种利用上述装置进行宽温区精确变温测量的方法，步骤如下：

1.将样品置于恒温装置的载物台上，打开杜瓦瓶上的真空阀对杜瓦瓶抽真空；

2.椭圆偏振测量仪开机,将光谱式椭偏仪的入射臂和出射臂分别位于载物台侧面的两个测量窗口处以对放置在载物台内的样品进行椭圆偏振测量；

3.调节三维可调节平台，使待测样品处于接受的反射光强最大的测量位置；

4.打开调节阀（液氮加注口），将液氮按一定注入速度注入到杜瓦瓶内，预先设置单片机所控温度，由单片机控制电热丝的电流，对经调节阀（液氮加注口）注入杜瓦瓶的液氮（冷量）进行中和，以达到对杜瓦瓶内的温度进行控制之目的；

5.通过安装在杜瓦瓶内的温度传感器采集杜瓦瓶内的温度信号，将该温度信号转化为电信号后经放大器放大，然后输入单片机中进行比较判断，以控制电热丝的电流，即对注入杜瓦瓶的液氮（冷量）进行中和，使温度接近所设置的控温温度；

6.待杜瓦瓶内的温度处于所设置控温温度时，设置椭圆偏振仪测量参数，对载物台内的样品进行参数测量；