[論文レビュー] Interference effects on the ID/IG ratio of the Raman spectra of diamond-like carbon thin films

Elitza Petrova, Savcho Tinchev+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2011

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 11被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）薄膜における光学干渉が、sp²クラスターサイズおよび不規則性を評価するための重要なパrameterであるラマン分光法におけるDピーク対Gピーク強度比（ID/IG）にどのように歪みを引き起こすかを調査している。著者らは、干渉効果がシリコン基板では最大10%、金属基板では最大40%の偏差を引き起こす可能性があることを示しており、これを考慮しない場合、ID/IGに基づく薄膜特性評価の正確性が著しく損なわれる。

ABSTRACT

Ratio of the intensity of D- Raman peak and G- Raman peak (ID/IG) is often used for characterization of diamond-like carbon films, for example to estimate number and size of the sp2 clusters. In this paper we investigate how the interference effects in the film influence this ratio. It is shown that for films on silicon substrates the distortion of the real ratio can reach 10 % and for films on metals even 40 %. This should be taken into account if some conclusions are made from the measured ID/IG ratio.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドライクカーボン（DLC）薄膜のラマン分光法におけるID/IG比に及ぼす光学干渉の影響を調査すること。
• 基板選択（シリコン対金属）が、干渉に起因するID/IG比の歪みにどのように影響するかを定量化すること。
• 干渉効果を考慮しないままID/IG比に依存する場合、DLC薄膜の構造を誤解するリスクを強調すること。
• ラマン分光法によるDLC特性評価における干渉アーティファクトを補正または補正可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 光学伝達関数行列理論を用いて、DLC薄膜（シリコンまたは金属基板上）の多層膜系における光学干渉効果をモデル化すること。
• 膜厚および光学定数を関数としてラマン散乱強度を計算し、干渉パターンをシミュレートすること。
• 干渉ありと干渉なしのシミュレートされたID/IG比を比較し、歪み効果を分離すること。
• 膜厚および基板の屈折率に依存する干渉の依存関係を分析し、最大歪みレベルを特定すること。
• シリコンおよび金属基板上に形成されたDLC薄膜の実験的ラマンデータを用いて理論的予測の妥当性を検証すること。
• 伝達関数法を用いて、ラマン信号強度に影響を与える有効な光路長および干渉縞を計算すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DLC薄膜のラマン分光法におけるID/IG比に、光学干渉効果がどの程度歪みを引き起こすか。
• RQ2 基板材料（シリコン対金属）が、干渉に起因するID/IG比の歪みの大きさにどのように影響するか。
• RQ3 異なる基板上におけるDLC薄膜の干渉効果によるID/IG比の最大偏差は何か。
• RQ4 ID/IG比を診断パrameterとして用いる場合、干渉効果がsp²クラスターサイズや不規則性に関する誤った結論を導く可能性があるか。

主な発見

• シリコン基板上に形成されたDLC薄膜における光学干渉は、ID/IG比に最大10%の歪みを引き起こす可能性がある。
• 金属基板上では、干渉に起因するID/IG比の歪みが最大40%に達する場合がある。
• 歪みの大きさは、膜厚および基板の屈折率に強く依存する。
• 干渉効果は、膜内での有効光路長が半波長の整数倍と一致する際に顕著になり、強め合いまたは打ち消し合いの干渉が生じる。
• 干渉効果が補正されない場合、DLC薄膜内のsp²クラスターサイズおよび構造的不規則性の誤った解釈を引き起こす可能性がある。
• 本研究では、干渉効果を考慮しないままID/IG比に依存する場合、材料特性評価に顕著な誤差が生じる可能性があることを示している。