[논문 리뷰] THz time-domain spectroscopic investigations of thin films

A. Taschin, Paolo Bartolini외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

Terahertz technology and applications참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 10 μm까지의 두께로 낮은 두께의 박막의 절대 광학적 매개변수(굴절률, 흡수 계수)와 두께를 정확하게 추출하기 위해 맞춤형 타래르지밀리미터 시간 영역 분광법(THz-TDS) 장치와 반복적 데이터 분석 방법을 제시한다. 이중층 시스템에서의 다중 반사 현상을 모델링하고 전송 함수에 다항식 피팅을 적용함으로써, 미크로미터 두께의 단일 및 다중층 박막에 대해 신뢰할 수 있고 절대적인 측정이 가능하게 하며, 테플론/폴리프로필렌 시험 시료와 폴리에틸렌 기반 17 μm 철갈잉크 필름에 대해 검증되었다.

ABSTRACT

THz time domain spectroscopy is a powerful technique enabling the investigation of different materials in the far-infrared frequency range. Even if nowadays this technique is well established, its application to very thin films remains particularly difficult. We investigated the utilization of THz spectroscopy on samples of micrometric thickness with the aim to disentangle multiple reflections and to measure with high accuracy the absolute values of the material parameters. We implemented an experimental and data analysis procedure that can be applied to free-standing single-layers or multi-layers samples. Specifically, we report on the experimental investigation by THz time domain spectroscopy of two samples: a test sample made of two layers of known thickness and materials; and a second sample, that is of a great interest for cultural heritage studies, made of a thin film of ink layered on a thicker support. Moreover, we describe in details the data analysis and fitting procedures needed to extract the material parameters from the experimental results.

연구 동기 및 목표

• THz 대역에서 박막의 절대 광학적 매개변수를 측정하기 위한 강력한 실험 및 데이터 분석 절차를 개발하기 위해.
• THz-TDS 측정을 왜곡시키는 박막에서의 다중 반사 문제를 해결하기 위해.
• 10 μm까지의 두께로 단일 및 이중층 시스템에 대해 정확한 두께 및 물질 매개변수 추출을 가능하게 하기 위해.
• 교정된 시험 시료와 문화적으로 관련성이 있는 펜서일체 기반의 프로토타입에 대해 방법을 검증하기 위해.
• 취약한 물질, 예를 들어 역사적 수기문서와 같은 고유한 자료에 대해 비파괴적이고 고정밀한 스펙트로스코픽 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 780 nm 섬유 레이저와 저온에서 성장한 GaAs 광전도성 안테나를 사용하는 자체 제작 THz-TDS 시스템이 전송 설정에서 피크세컨드 이하의 THz 펄스를 생성하고 검출한다.
• 0.1–4 THz 범위에서 수증기 흡수를 최소화하기 위해 질소 가스로 채워진 캐비닛 내에서 시스템이 작동한다.
• 전송 함수는 전송된 THz 펄스와 기준 펄스의 푸리에 변환의 비율로 계산된다.
• 반복적 피팅 알고리즘은 다중 반사를 고려하여 이중층 시스템의 전송 응답을 모델링하고 전송 함수의 위상과 진폭을 피팅한다.
• 전달 매개변수에 다항식 피팅을 사용하여 절대 척도에서 굴절률과 흡수 계수를 추출한다.
• 측정된 신호와 시뮬레이션된 신호 간 잔차를 최소화함으로써 각 층의 두께를 반복적으로 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 반사로 신호가 크게 왜곡되는 경우, 표준 상용 시스템을 사용한 THz-TDS 측정 결과를 정확하게 해석할 수 있는가?
• RQ2 표준 상용 시스템을 사용할 때, 신뢰할 수 있는 광학적 매개변수 추출이 가능한 최소 박막 두께는 얼마인가?
• RQ3 알려진 층과 알려지지 않은 층을 포함한 이중층 시스템에서 굴절률과 흡수 계수의 절대값을 어떻게 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 폴리에틸렌 기반 17 μm 철갈잉크 필름의 두께와 광학적 특성을 높은 신뢰도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 다중층 박막에 대해 표준 단일층 분석에 비해 반복적 피팅 절차가 정확도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 이 방법은 10 μm까지의 박막에 대해 두께 측정 정확도가 ±5 μm에 도달하며, 이 하한까지도 안정적인 결과를 제공한다.
• 이중층 시스템 내 100 μm 두께의 폴리프로필렌 층의 굴절률과 흡수 계수는 단일층 측정 결과와 5% 이내로 일치한다.
• 10 μm 두께의 폴리에틸렌 기반 17 μm 철갈잉크 필름에 대해 두께를 17 μm로 높은 신뢰도로 추출하였으며, 문화유산 응용 가능성을 확인하였다.
• 잉크의 광학적 매개변수는 갈릭산 흡수로 인한 주파수 의존적 특성을 보이며, 분자 진동과 일치하는 분산 굴절률을 나타낸다.
• 반복적 피팅 절차는 한 층이 알려지지 않은 경우에도 이중층 시스템에서 개별 층의 기여를 성공적으로 분리하였다.
• 이 데이터 분석 방법은 표준 THz-TDS 장치에서의 상대 측정의 한계를 극복하고 굴절률과 흡수 계수의 절대 척도 측정을 가능하게 하였다.