spektroskopia odbiciowa światła białego

Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
IM21
SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA
ŚWIATŁA BIAŁEGO
Cel ćwiczenia:



Zapoznanie się z metodą pomiaru grubości cienkich warstw za pomocą interferometrii
odbiciowej światła białego,
zbadanie zjawiska pęcznienia warstw polimerowych w atmosferze rozpuszczalnika
wyznaczenie parametru oddziaływania polimeru z rozpuszczalnikiem
Plan pracy:




Złożenie układu doświadczalnego
Pomiar grubości warstw testowych
Pomiar grubości warstwy SiO2 na krzemie
Pomiar grubości warstwy polimeru PEO dla różnych wilgotności
Zagadnienia wstępne:



Droga optyczna światła
Prawo załamania i odbicia światła na granicy dwóch ośrodków
Zjawisko interferencji
1
Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
Interferometria odbiciowa światła białego
Jeżeli światło pada na granicę między dwoma ośrodkami o różnych współczynnikach załamania n1 i
n2 ulega ono załamaniu i częściowemu odbiciu, jak pokazano na rysunku 1. Amplituda światła
przechodzącego przez powierzchnię t oraz natężenie światła odbitego r są równe:
t=0*t
(1a)
r=0*r
(1b)
gdzie 0 to natężenie światła padającego, a t i r to odpowiednio współczynnik transmisji oraz
odbicia.
0
 
r
n1
n2
 
t
Rysunek 1. Odbicie i załamanie światła na granicy dwóch ośrodków.
Zależności współczynników r i t od n1 i n2, od kątów  i  oraz polaryzacji światła dane są wzorami
Fresnela:
(2a)
(2b)
(2c)
(2d)
Gdzie, indeks s odnosi się do polaryzacji równoległej do powierzchni rozdzielającej obszary o
współczynnikach załamania n1 i n2, a indeks p odnosi się do polaryzacji prostopadłej do s.
W przypadku gdy światło pada na układ wielowarstwowy, jak na rysunku 2, na wewnętrznych
powierzchniach między ośrodkami o różnych współczynnikach załamania obserwujemy zjawisko
wielokrotnego odbicia. W takim przypadku możemy wyliczyć efektywne współczynniki Fresnela,
2
Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
korzystając z metody Abelesa, a całkowity współczynnik odbicia dla układu trójwarstwowego dany jest
równaniem:
(3)
Gdzie di oraz ni to odpowiednio grubości oraz współczynniki załamania dla poszczególnych warstw.
Rysunek 2 Odbicie światła na granicach między trzema warstwami o różnych współczynnikach załamania
Z równania 3 wynika silna zależność natężenia światła odbitego w funkcji długości fali w przypadku odbicia
od powierzchni układu wielowarstwowego. Jakościowo, zjawisko opisane tym równaniem obserwujemy np.
3
Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
w postaci kolorowych efektów na błonach baniek mydlanych czy plam benzyny rozlanych na kałużach.
Ilościowa analiza zależności natężenia światła odbitego od powierzchni złożonej z kilku warstw o różnych
współczynnikach załamania w funkcji jego długości pozwala na wyznaczenie grubości poszczególnych
warstw.
Pomiaru grubość warstw można dokonać za pomocą układu przedstawionego na rysunku 3. W układzie tym
światło z lampy halogenowej oświetla próbkę poprzez szereg światłowodów, które znajdują się w sondzie.
W tej samej sondzie znajduje się światłowód zbierający światło odbite od badanej powierzchni , które
następnie wprowadzane jest do spektrometru z linijką CCD. Przykład zarejestrowanego widma światła
odbitego od powierzchni polimerowej nałożonej na warstwę tlenku krzemu pokazany jest na rysunku 4. Na
rysunku tym dodatkowo zaznaczono wynik dopasowania równania 3 do danych eksperymentalnych (linia
czerwona).
Rysunek 3. Schemat układu pomiarowego
4
Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
Rysunek 4. Przykład zależności natężenia światła odbitego od powierzchni tlenku krzemu pokrytego
warstwą polimerową, czerwoną linią zaznaczono dopasowanie równania 3.
Pęcznienie warstw polimerowych pod wpływem par rozpuszczalnika
Jeżeli umieścimy cienką warstwę polimerową w atmosferze bogatej w pary rozpuszczalnika to możemy
zaobserwować zmiany jej grubości. Zmiany te spowodowane są wchłanianiem lub oddawaniem cząsteczek
rozpuszczalnika przez materiał polimerowy. Wraz ze wzrostem koncentracji par rozpuszczalnika w
atmosferze nad warstwą następuje jej pęcznienie.
Zgodnie z teorią roztworów regularnych zachodzi relacja między ciśnieniem par rozpuszczalnika w
atmosferze a koncentracją polimeru w warstwie:
(4)
Gdzie pSAT, oznacza ciśnienie pary nasyconej rozpuszczalnika, vR i vP są objętościami molowymi cząstek
rozpuszczalnika i polimeru, P oznacza koncentrację polimeru w warstwie równą:
(5)
R to koncentracja rozpuszczalnika w warstwie. Zakładając, ze vr<<vp równanie (4) możemy zapisać:
5
Pracownia Badań Materiałów I, IM21
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
(6)
Za pomocą interferometru odbiciowego światła białego można badać precyzyjnie zmiany grubości warstwy
polimerowej na skutek wchłaniania par rozpuszczalnika i wykorzystując relację (6) wyznaczyć parametr
oddziaływania 
W czasie ćwiczenia należy zbadać zależność zmiany grubości warstw poli(tlenku etylenu ) od wilgotności i
wyznaczyć parametr oddziaływania między segmentami polimeru a cząsteczkami wody. Wilgotność w
objętości niewielkiego pudełka, w którym znajduje się próbka można precyzyjnie regulować za pomocą
układu dwóch rotametrów sterujących przepływem suchego gazu (azotu). Gaz przechodzący przez jeden z
rotametrów kierowany jest bezpośrednio do miksera gdzie miesza się z gazem przechodzącym przez wodę
w płuczce Drechslera. Gaz przechodzący przez wodę zawiera parę wodną. Dobierając przepływ gazu przez
oba rotametry można regulować wilgotność w obszarze próbki. Wilgotność wyznacza się za pomocą
higrometru elektronicznego.
6