Riflettometria su Film Sottile

Abstract: in questo post descriviamo l’applicazione dello spettrometro e del software Spectragryph nelle misure di riflettometria di film sottili. La luce riflessa dalle pellicole sottili, in determinate condizioni, presenta il fenomeno della interferenza (costruttive e distruttiva). Questo fenomeno fisico può essere utilizzato per studiare le proprietà ottiche del film sottile e per misurare il suo spessore. 

Introduzione

In un post precedente: Spettrometro Thunder Optics & Spectragryph, abbiamo descritto lo spettrometro SMA della Thunder Optics (nel seguito indicato come spettrometro TO) e lo abbiamo utilizzato per acquisire gli spettri di alcune sorgenti luminose. Nel post Spettroscopia di Riflettanza & Colorimetria abbiamo successivamente descritto misure di riflettanza. Proseguiamo ora l’attività di sperimentazione utilizzando questo strumento in applicazioni di riflettometria su film sottile.

La spettroscopia riflettometrica è una metodica fisica basata sulla interferenza in luce bianca che si osserva in corrispondenza alla riflessione su film sottili, questo metodo può essere convenientemente utilizzato per la misura dello spessore del film se è noto l’indice di rifrazione del materiale. Quando la luce colpisce il film con un certo angolo Θ, c’è interferenza tra la luce riflessa dalla superficie di incidenza e la luce riflessa dalla superficie opposta, come mostrato in Fig.1-a. In queste condizioni si viene a creare lo spettro di interferenza ondulato mostrato in Fig.1-b. Il conteggio del numero di picchi (o valli) nello spettro di interferenza all’interno di un determinato intervallo di lunghezze d’onda consente di calcolare lo spessore del film utilizzando l’espressione (1).

Fig. 1 – (a) Interferenza della luce riflesse dalle interfacce del film sottile, (b) Spettro di riflettività(1) Formula per il calcolo dello spessore del Film, noti l’indice di rifrazione n ed il numero dei massimi di interferenza Δm tra le due lunghezze d’onda λ₂ e λ₁

Setup Sperimentale

Il setup sperimentale è composta dalla sonda per la misura della riflettanza (descritta nel precedente post Spettroscopia di Riflettanza & Colorimetria), dalla sorgente Mini Light Source e dallo spettrometro. Per queste misure abbiamo utilizzato lo spettrometro Thunder Optics ed uno spettrometro del tipo Czerny-Turner della B&W Tek. La Fig. 2 mostra la strumentazione collocata sul nostro banco ottico.

Fig. 2 – Setup Sperimentale

Nella immagine seguente mostriamo il dettaglio della misurazione dello spessore di un film plastico e di una sottile lamina di Mica.

Fig. 3 – (a) Misurazione di un film plastico – (b) Misurazione di una lamina di Mica

Misure su Film Plastici

Le prime misure di riflettometria su film sottile le abbiamo fatte su pellicole plastiche. Nel primo caso abbiamo misurato un campione di pellicola alimentare, nel secondo caso un foglio sottile di materiale plastico usato per il proiettore. Sappiamo che la pellicola alimentare è di PVC ed ha uno spessore nominale di 10 μm, mentre il foglio plastico ha spessore nominale di 0,1 mm.

Dopo aver acquisito lo spettro di riflettanza del film sottile in esame, possiamo sfruttare una funzionalità del software Spectragryph che ci permette di determinare lo spessore del film noto l’indice di rifrazione del materiale. Nel tab Analyze scegliamo il pulsante Film Thickness (Fig. 4)

Fig. 4 – Tab Analyze

Si apre una finestra che ci permette di inserire i dati relativi all’indice di rifrazione, all’angolo di incidenza (solitamente 0°) ed al range di lunghezze d’onda nel quale conteggiare il numero dei massimi (Fig. 5). Il comando Calculate effettua il calcolo descritto dalla relazione (1) del paragrafo precedente.

Fig. 5 – Calcolo dello spessore del film

Applicando le funzionalità del software abbiamo misurato lo spessore di una pellicola alimentare (Fig. 6) ottenendo il risultato di circa 10 μm, corrispondente al valore nominale. Abbiamo inoltre misurato un film plastico di maggiore spessore ottenendo il risultato mostrato in Fig. 7 e Fig. 8. In questo caso abbiamo ottenuto un valore di 70 μm, vicino al valore noto di 0,1 mm.

Fig. 6 – Spettro di Riflettometria su film sottile di PVC

Fig. 7 – Spettro di Riflettometria su foglio plastico

Fig. 8 – Spettro di Riflettometria su foglio plastico (dettaglio)

Misure su Rivestimenti Ottici

Abbiamo applicato il metodo della riflettometria anche per la misura dello spessore di film ottici applicati su substrati, ad esempio ai rivestimenti antiriflesso presenti sui display LCD oppure agli strati dei filtri ottici interferenziali. In Fig. 9 riportiamo il risultato ottenuto esaminando un LCD: il rivestimento ha uno spessore di circa 8 μm. In Fig. 10 riportiamo invece lo spettro ottenuto esaminando un filtro ottico, in questo caso lo spessore è molto piccolo (< 1 μm) infatti le ondulazioni sono pochissime.

Fig. 9 – Spettro di Riflettometria ottenuto da un LCD

Fig. 10 – Spettro di Riflettometria ottenuto da un filtro ottico interferenziale

Misure su Lamine di Mica

Avendo disponibili in laboratorio delle sottili lamine di mica abbiamo provato la tecnica della riflettometria anche su questi campioni, ottenendo il grafico mostrato in Fig. 11. La misura ha fornito un valore di circa 10 μm per lo spessore dei sottili strati delle lamine.

Fig. 11 – Spettro di Riflettometria ottenuto da lamine di mica

Misure su Pellicole di Sapone

L’ultima misura di riflettometria è stata fatta su bolle di sapone! Le pellicole di sapone sono state ottenute con una soluzione di acqua e detersivo per piatti, alla quale abbiamo aggiunto un pò di sale da cucina. Con un filo di rame abbiamo sagomato un “occhiello”. Immergendo questo atrezzo improvvisato nella soluzione si ottengono delle sottili pellicole che possono durare oltre 10 secondi (Fig. 12).

Fig. 12 – (a) Soluzione per creare pellicole di sapone – (b) Esempio di pellicola su supporto fatto con filo di rame

Le pellicole che si ottengono mostrano facilmente il fenomeno della iridescenza (Fig. 12 b) che è causato dalla stessa interferenza che provoca le oscillazioni nello spettro della riflettometria. Abbiamo misurato diverse pellicole ottenendo sempre oscillazioni di riflettività molto marcate, con spessori che variano dai 2 μm agli 8 μm (Fig. 13 – 14 – 15).

Fig. 13 – Spettro di Riflettometria da pellicola di sapone

Fig. 14 – Spettro di Riflettometria da pellicola di sapone

Fig. 15 – Spettro di Riflettometria da pellicola di sapone

Conclusioni

Il nostro apparato composto da spettrometro, sorgente di luce Thunder Optics e sonda per riflettometria, si è dimostrato adatto per essere applicato alla tecnica della riflettometria su film sottili, con lo scopo di dimostrare qualitativamente il fenomeno della interferenza della luce riflessa e di misurare lo spessore del film. Abbiamo applicato con successo la tecnica della riflettometria per la misura dello spessore di pellicole plastiche, di rivestimenti ottici e delle sottili pellicole di sapone. Soprattutto queste ultime misure hanno dato risultati interessanti che meriterebbero di essere approfonditi con uno studio più ampio sulle proprietà ottiche delle “bolle di sapone”.

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