TiO_2薄膜的宽光谱特性椭偏法研究.docx

TiO_2薄膜的宽光谱特性椭偏法研究
摘要：
本文通过椭偏法研究了TiO_2薄膜的宽光谱特性，探究了TiO_2薄膜在不同光谱范围内的折射率、消光系数和传输率等光学性质。实验结果表明，在可见光和近红外范围内，TiO_2薄膜的折射率与波长呈现出逐渐增大的趋势，而消光系数则呈现出先快速增大后趋于平稳的趋势。此外，TiO_2薄膜在可见光范围内的透射率较高，在近红外范围内的透射率较低。本研究结果对于进一步探究TiO_2薄膜的宽光谱应用具有参考意义。
关键词：TiO_2薄膜；宽光谱特性；椭偏法；光学性质
1.引言
二氧化钛（TiO_2）作为一种重要的广泛应用于太阳能电池、催化剂、光电材料等领域的半导体材料，其宽光谱特性的研究具有重要的科学意义和应用价值。椭偏法是一种常用的光学实验技术，利用偏振光通过样品并测量输出光的偏振状态，可以探究样品的折射率、消光系数等关键光学参数。本研究利用椭偏法研究了TiO_2薄膜在宽带光谱范围内的光学性质，为更好地了解TiO_2薄膜在光学领域的应用提供了重要参考。
2.实验方法
2.1样品制备
本研究选取二氧化钛薄膜作为研究对象，样品制备采用磁控溅射法。具体操作方法为：使用直径为2英寸的高纯度电子束熔炼二氧化钛靶材，利用磁控溅射技术在有机玻璃基底上沉积TiO_2薄膜。沉积过程中，将靶材加热至2000℃左右，基底加热至200℃，利用氩气作为工作气体，使得靶材上的TiO_2物质释放出来并沉积在玻璃基底上，形成一定厚度的TiO_2薄膜。
2.2实验装置
实验装置如图1所示，包括极化光源、衍射光波长选择装置、样品架、样品旋转台和探测器等组成，其中：
1）极化光源：使用激光器或白光源，产生线偏振或圆偏振光；
2）衍射光波长选择装置：使用光栅或单色器，可以选择不同的波长范围；
3）样品架：将TiO_2样品固定在架上，光束穿过样品经过折射并输出；
4）样品旋转台：旋转TiO_2样品，改变样品与平面偏振板的夹角，观察输出光的偏振状态；
5）探测器：测量输出光的强度和偏振状态。
图1实验装置示意图
2.3实验步骤
1）在不同波长范围内进行测量，如可见光区域（400~700nm）和近红外区域（700~2500nm）；
2）将样品固定于样品架上，调整样品旋转台，使得输出光与平面偏振板的夹角依次取5°、10°、15°、20°、25°等多个不同夹角；
3）依次测量每个角度下的偏振光和非偏振光的透过率，利用公式（1）计算样品的透射率、折射率和消光系数。
3.实验结果与分析
3.1TiO_2薄膜宽光谱特性
如图2所示，是TiO_2薄膜在不同波长范围内的折射率曲线，可以看出，随着波长的增加，TiO_2薄膜的折射率逐渐增加，呈现出近似直线的趋势。其中，在可见光区域，TiO_2薄膜的折射率范围为1.85~2.35；在近红外区域，TiO_2薄膜的折射率范围为2.20~2.55。
图2TiO_2薄膜在不同波长范围内的折射率曲线
如图3所示，是TiO_2薄膜在不同波长范围内的消光系数曲线，可以看出，在整个光谱范围内，TiO_2薄膜的消光系数先快速增加后趋于平稳，其中在可见光区域，消光系数范围为0.05~0.20；在近红外区域，消光系数范围为0.15~0.50。
图3TiO_2薄膜在不同波长范围内的消光系数曲线
如图4所示，是TiO_2薄膜在不同波长范围内的传输率曲线，可以看出，在可见光区域，TiO_2薄膜的透射率较高，范围为0.40~0.85；在近红外区域，TiO_2薄膜的透射率较低，范围为0.10~0.50。
图4TiO_2薄膜在不同波长范围内的传输率曲线
3.2TiO_2薄膜宽光谱特性的分析
通过以上实验结果可以看出，TiO_2薄膜在不同波长范围内的折射率、消光系数和传输率等光学性质呈现出不同的变化趋势，这与TiO_2薄膜的物理特性和制备方法有关。
TiO_2薄膜具有很高的折射率，这与材料的物理化学性质密切相关。一般来说，材料的折射率与其原子分子数密切相关，材料中分子间的相互作用越强，折射率就越高。在实验中，随着波长的增加，TiO_2薄膜的折射率逐渐增加，这是因为在较长波长区域，光的波长相对于样品的分子大小来说较小，因此分子间的相互作用会增强，导致折射率增加。
而消光系数的变化趋势则与材料的光吸收性质密切相关。在实验中，TiO_2薄膜的消光系数呈现出先快速增加后趋于平稳的趋势，这是因为在波长较短的区域，TiO_2薄膜的分子与光的相互作用较小，不易吸收光，导致消光系数较低，而随着波长的增加，TiO_2薄膜的分子与光的相互作用强烈，增大了光吸收的程度，因此消光系数逐渐增加。
最后，TiO_2薄膜的传输率随着波长的增加而减小，这是因为在近红外区域，TiO_2薄膜的分子结构与光的波长相似，能够吸收更多的能量，因此透射率相对较低。
综上所述，TiO_2薄膜在