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Gerichtete Reflexion

Grundlegendes

Grundlegendes

Spiegelreflexion tritt an allen hochglänzenden Oberflächen auf. Der einfallende Lichtstrahl wird unter gleichem Winkel reflektiert (Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Die typischen Einsatzbereiche für Spiegelreflexionen lassen sich in drei Kategorien teilen:

  • Messung der Reflexion an dicken Schichten und massiven Materialien, z.B. an Einkristallen, Kunststoffen etc.. Im Gegensatz zu Transmissionsspektren bestehen Reflexionsspektren aus zwei Komponenten: dem Brechungsindex (n) und dem Absorptionskoeffizienten (k). Je mehr das Spektrum vom Brechungsindex beeinflußt wird, desto stärker erscheint es sinusförmig verzerrt. Mit Hilfe der Kramers-Kronig Transformation läßt sich die Brechungsindexkomponente eliminieren und man erhält einwandfreie Spektren.
  • Reflexions-Absorptionsmessungen an absorbierenden Schichten auf stark reflektierendem Untergrund, z.B. polymere Schutzschichten auf Metalloberflächen, Charakterisierung von Epitaxieschichten etc.. Der IR-Strahl dringt in die Probe ein, wird am Untergrund reflektiert und durchwandert die Probe ein weiteres Mal. Das Ergebnis ist ein reines Tansmissionsspektrum. Typische Schichtdicken liegen im Bereich zwischen 0,5 und 20 µm.
  • Messung der Spiegelreflexion unter Streiflichtbedingungen an ultradünnen Schichten im Sub-Mikrobereich sowie Bestimmung von molekularen Orientierungen. Hierbei werden in der Regel zusätzlich Polarisatoren eingesetzt.

Fester Einfallswinkel

Fester Einfallswinkel

Mit den PIKE Reflexionseinheiten 30spec und 45spec (Einfallswinkel: 30° bzw. 45°) für die Messung gerichteter Reflexionen lassen sich viele Beschichtungen im Mikrobereich auf reflektierenden Oberflächen, spektrale Reflektivitäten von glänzenden Oberflächen (z.B. Lackharze), epitaxiale Schichten auf Halbleitermaterialien usw. zerstörungsfrei analysieren.

Die PIKE Reflexionseinheit 10spec verfügt über einen Einfallswinkel von 10°. Sie wurde speziell für die Analyse von IR-inaktiven, hoch brechenden Materialien (z.B. beschichtete Gläser, Halbleiter etc.) entwickelt, um ihr Emissionsvermögen relativ zum schwarzen Körper nach ASTM-Norm E1585 zu bestimmen. Sie eignet sich ebenso für andere Einsatzbereiche, in denen ein nahezu senkrechter Lichteinfall benötigt wird. Die parallele Strahlführung mit unendlicher Abbildung am Probenort sorgt zudem für einen konstanten Meßfleckdurchmesser von ca. 12 mm, unabhängig von Spektrometer- marke und -modell. Mit Hilfe von Aperturblenden kann der Strahl den Probenanforderungen entsprechend angepaßt werden.

Die PIKE Reflexionseinheit 80spec arbeitet mit einem Einfallswinkel von 80° (Streiflichtbedingungen). Besonders für Dünnfilmschichten auf Metallen ergeben sich enorme Vorteile: da die Intensität des reflektierten Lichtstrahls u.a. vom Einfallswinkel abhängt, wird sie (und damit die Absorption) umso höhere Werte annehmen, je größer der Einfallswinkel ist. Die Folge: die Intensitäten der Reflexions-Absorptions-Spektren (IRAS-Spektren) werden wesentlich prägnanter. Durch den Einsatz von polarisiertem Licht unter Streiflichtbedingungen können ferner die Wechselwirkungen zwischen
Probe und dem elektrischen Feldvektor ("Lichtvektor") studiert werden. Umgekehrt läßt sich mit polarisiertem Licht die Bandenintensität in schwierigen Fällen zusätzlich erhöhen (z.B. bei der Untersuchung von Monoschichten). Setzt man je einen Polarisator vor und hinter die Probe, lassen sich ellipsometrische Messungen durchführen.

Bei Reflexionsmessungen hinterläßt der Lichtstrahl auf der Probe die Form einer Ellipse, wobei die Ausprägung der Ellipse durch den Einfallswinkel bestimmt ist. Mit dem PIKE AGA80 Meßzusatz (Advanced Grazing Angle) lassen sich Größe und Umriß des auf der Probe abgebildeten Spots durch eine variable Optik innerhalb des Meßzusatzes beeinflussen. Das Herz der AGA80-Einheit besteht
aus fünf Punktspiegeln in verschiedenen Durchmessern, die auf einem beweglichen Schlitten
montiert sind. Der Spektrometerstrahl wird auf den durch Verschieben des Schlittens jeweils im Strahlengang befindlichen Punktspiegel abgebildet, wobei der Einfallswinkel 80° beträgt. Derjenige Anteil, der vom Punktspiegel weiterreflektiert wird, gelangt über Umlenkspiegel geleitet unter dem Einfallswinkel von ebenfalls 80° auf die Probe. Dort hinterläßt der Spot die gleiche Form, wie sie
durch den Punktspiegel vorgegeben wurde. Desweiteren ist der Meßzusatz für den Einsatz von
Polarisatoren (z.B. zur Untersuchung von Monoschichten) vorbereitet.

Variabler Einfallswinkel

Variabler Einfallswinkel

Die PIKE VeeMax ist ein Meßzusatz mit der Möglichkeit, für jede Anwendung den optimalen Einfallswinkel kontinuierlich von 30° bis 80° einzustellen.
Durch den zusätzlichen Einsatz von Polarisatoren können z.B. Banden- intensitäten in Abhängigkeit von Einfallswinkel und Oberflächenorientierung untersucht werden. Reflexions-Absorptions-Versuche vielfältiger Art lassen sich damit auch in schwierigen Fällen zur Erstellung aussagekräftiger Spektren optimieren. Mit Hilfe der optional erhältlichen automatisierten Einfallswinkel- und Polarisator-Einstellung können ganze Versuchsreihen höchst effizient gestaltet werden. Zur Vermeidung von Wasserdampf- und CO2- Absorptionseinflüssen ist die gesamte Einheit komplett für die Spülung mit einem IR-inaktiven Gas ausgelegt. Optional besteht die Möglichkeit, Single Reflexions-ATR-Kristalle und eine Proben- andruckpresse einzusetzen.

Absolute Reflexion

Absolute Reflexion

Bei üblichen Reflexionsmessungen an einer Substanz wird die Reflexion in Relation zu einem Standard (z.B. einem blanken Gold- oder Aluminiumspiegel) bestimmt. Dessen Reflexionsgrad liegt zwischen 94% und 99%. Möchte man jedoch die absolute Reflexion auf 100% bezogen bestimmen (z.B. für quantitative Auswertungen), muß ein anderer Weg beschritten werden.

Der PIKE Meßzusatz zur Bestimmung absoluter Reflexionen kommt ohne Reflexionsstandard aus. Stattdessen wird ein Spiegel in zwei unterschiedliche Positionen bei identischen Lichtweglängen gebracht. In der V-Position dient der Spiegel als Referenz und in der W-Position reflektiert derselbe Spiegel den Lichtstrahl einmal und die Probe zweimal. Die absolute Reflexion errechnet sich dann aus der Quadratwurzel der gemessenen Reflexion bei einer bestimmten Wellenlänge bzw. Wellenzahl. Zur Vermeidung von Wasserdampf- und CO2-Absorptionseinflüssen ist die gesamte Einheit komplett für die Spülung mit einem IR-inaktiven Gas ausgelegt.

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