薄膜材料的表征方法(2)
薄膜材料的表征与应用前景
薄膜材料的表征与应用前景薄膜材料是一种厚度较薄的材料，具有广泛的应用领域。
在现代科学技术领域中，薄膜材料正变得越来越重要，例如电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
在这些领域中，薄膜材料都有着很重要的作用。
因此，如何进行薄膜材料的表征是非常重要的，下面将从表征方法、薄膜材料技术应用、应用前景三方面进行探讨。
一、薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法主要有X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等技术。
其中，X射线衍射属于一种常用的材料分析方法，可以得到薄膜的晶体结构、晶格常数、谱线宽度、拓扑结构等信息。
透射电子显微镜可以得到薄膜的显微组织结构，包括富含结构信息的多晶体薄膜、单晶薄膜以及异质结构。
扫描电子显微镜则可用来分析物质表面形态和组成，并且可对样品的形貌、大小、质量等进行观察和计量。
原子力显微镜则可以对样品的表面形貌进行观察，并能够创造分子层面的逼真图像，是一种非常常用的表征方法。
不同的薄膜材料在表征方法上存在很大的差异，例如，半导体薄膜材料需要更精确的表征技术，而对于金属薄膜材料则主要采用透射电子显微镜进行分析。
在分析时也需要注意用适当的方法。
二、薄膜材料技术应用薄膜材料的技术应用广泛，涉及到电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
其中，太阳能电池是薄膜材料的典型应用之一。
采用薄膜材料制造的太阳能电池，不仅可以提高转换效率，而且重量更轻、性能更佳。
此外，薄膜材料还可以用于生物传感器领域。
由于薄膜具有微观尺寸范围，因此具有内在的生物相容性和高灵敏度，并且还可以按照需要设计其结构或功能，如含有肝素和酶等的超薄膜，有利于抑制血栓形成和生物膜。
三、薄膜材料技术应用前景在各种新能源材料中，薄膜材料已经成为研究热点。
太阳能电池、燃料电池等的制造关键是新材料的开发，而在这些中，薄膜材料的开发将成为未来的重要方向。
薄膜材料的表征方法
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
膜厚d 的计算
通常,光波的偏振状态由两个参数描述:振幅和相位。为方便 起见,在椭偏仪法中,采用Ψ 和△这两个参数描述光波反射时 偏振态的变化,它们的取值范围为: 0 ≤Ψ ≤π/ 2 ,0≤△< 2π。 (Ψ , △) 和( Rp , Rs) 的关系定义为总反射系数的比值,如下 式所示 Rp/Rs＝tanyexp（iΔ） 式中, tgΨ 表示反射前后光波P、S 两分量的振幅衰减比, △=δp -δs 表示光波P、S 两分量因反射引起的相应变化之 差。 由此可见,Ψ 和△直接反映出反射前后光波偏振状态的变化。 在波长、入射角、衬底等确定的条件下,Ψ 和△是膜厚和薄 膜折射率( n) 的函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n) 结合公式，测量y和Δ，就可以求出薄膜折射率n和薄膜的 厚度d。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
氧化锌薄膜的合成与表征
氧化锌薄膜的合成与表征氧化锌薄膜是一种具有重要应用价值的材料，在光电子、传感器等领域具有广泛的应用。
如何高效地制备氧化锌薄膜并准确地表征其结构和性质，一直是当前研究重点之一。
本文将介绍氧化锌薄膜的制备方法和表征技术，以期更好地理解并应用该材料。
一、氧化锌薄膜的合成方法1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种通过高温下蒸发金属来制备薄膜的方法。
通常，锌金属片被置于真空漏斗内加热，在漏斗的上部有一块玻璃基板直接对接。
锌金属加热后开始蒸发，氧性的基板表面吸收这些蒸发物后，化学反应形成氧化锌薄膜。
这种方法制备所得氧化锌薄膜的厚度通常为几十纳米，对于一些特定应用而言，薄膜的厚度并不能完全满足需求；同时，真空蒸发法的操作条件相对苛刻，同时背景气压的影响也需要特别注意。
2. 溅射法溅射法是在真空环境中利用阴极等离子体产生的离子将靶材上的原子或原子团射向基板表面，最终形成薄膜的制备方法。
通常，气体靶在真空腔中被激光离子激发产生等离子体，产生的等离子体会扫面过整个靶材表面，将原子射到基板表面形成薄膜。
相对于真空蒸发法而言，溅射法所制备氧化锌薄膜的厚度范围更加广泛，可从几纳米到数百纳米，制备比较方便，同时膜的质量也相对较高。
3. 气相沉积法气相沉积法是利用高温气相反应使气体中的原子通过活性自由基中间体沉积到基板表面，最终形成薄膜的方法。
常见的有热CVD法、PECVD法、晶粒增大法等。
其中，热CVD法通常是在真空中通过高温热解锌源和氧源来制备氧化锌薄膜的方法，制备过程中需要精确控制反应条件，如锌源和氧源的速率、反应时间和反应温度等。
而PECVD法则是利用激发的等离子体化学反应制备氧化锌薄膜，制备过程相对比较复杂，但制备的氧化锌薄膜结构密度高、耐久性好。
四、氧化锌薄膜的表征技术1. X射线衍射(XRD)XRD是一种常见的固体材料结构分析技术，它通过对材料的衍射效应进行定量分析，来确定一个样品的晶体结构、晶格参数、非晶态和有序材料的结构等。
薄膜表征
可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！
2、仪器特征：
1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形； 2）载荷：一般为 1-30 mgf； 3）分辩率：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)。
二、基本特点：
1、类似光学金相，可提供清晰直观的表面/截面形貌像； 2、分辩率高，景深大； 3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析； 4、是目前材料研究最常用手段之一，应用极为广泛。
SEM的结构与主要组件
三、电子束的作用区域及主要成像粒子：
1、电子束入射到样品表面后，会与表面层的原子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m； 2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分析的主要激发粒子是： 最表层 (10Å)：俄歇电子； 浅层 (50~500Å)：二次电子； 梨形区上部：背散射电子； 梨形区下部：特征X射线。 3、分别接收上述激发粒子，处理后可显示表层的各种形貌/成分信息。
探针法的测量原理
3、基本矛盾：
不破坏样品表面真实形貌 探头头部接触压力 大直径探头有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探头跟随性、分辨率 小直径探头有利！
4、优、缺点：
1）方法简单、测量直观； 2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量误差； 3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大。
1
dt
0
t
Ii a Ii dt t I Ie 0 e a
t
(5 - 1)
此处：n — 气相粒子密度； — 膜材料密度； a — 常数。
薄膜材料的表征
制备台阶旳措施
常用掩膜镀膜法，即将基片旳一部分用掩膜遮 盖后镀膜，去掉掩膜后形成台阶。因为掩膜与 基片之间存在着间隙，所以这种措施形成旳台 阶不是十分清楚，相对误差也比较大，但能够 经过屡次测量来提升精确度，探针扫过台阶时 就能显示出台阶两侧旳高度差，从而得到厚度 值。
其测量装置原理图如图4.4所示。在样品角度 连续变化旳过程中，在光学显微镜下能够观察
到干涉极大和极小旳交替出现。得出光旳干涉
条件（式 4.10）为 ：
d
N
2n1 cos
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图4.4 变角度法测量透明薄膜厚度旳装置 示意图
等角反射干涉法（CARIS）
测量透明薄膜厚旳第二种措施是使用非 单色光入射薄膜表面，在固定光旳入射 角度旳情况下用光谱仪分析光旳干涉波 长。这一措施被称为等角反射干涉法 （CARIS）。在这一措施中，干涉极大 或极小旳条件仍为式（4.10），但N与 λ在变化，而 θ不变，因而
此类措施所根据旳原理一般是不同薄膜 厚度造成旳光程差引起旳光旳干涉现象。
1．光旳干涉条件
首先研究一层厚度为d、折射率为n旳薄
膜在波长为λ旳单色光源照射下形成干涉 旳条件。
显然要想在P点观察到光旳干涉极大，其
条件是直接反射回来旳光束与折射后又 反射回来旳光束之间旳光程差为光波长 旳整倍数。
图4.1 薄膜对单色光旳干涉条件
透明薄膜厚度测量旳干涉法
式中，为单色光波长，m为任意非负旳 整数。在两个干涉极大之间是相应旳干
涉极小。若 n1 < n2 ，反射极大旳条件
变为:
d (m 1)
2n1
变角度干涉法（VAMFO）
薄膜表征
根据其后这一电子态被填充的过程不同，可能发生两种情况。 （1）这一空能级为一个外层电子 ，比如M或L层的电子所占据， 并在电子跃迁的同时放出一个X 射线光子，如图(c)所示。
（2）空的K能级被外层电子填充的同 时并不发出X射线，而是放出另一个 外层电子，如图(d)所示。这一能量转 换过程被称为俄歇过程，相应放出的 电子被称为俄歇电子。
1气相密度测量方法
如果蒸发原子密度的瞬时值 在沉积过程中可测量，则可 确定撞击到基片上的原子速 率，由于这一方法没有累积 性，因此必须通过积分运算 得到每单位面积上的膜质量 或膜厚。 当离化检测计暴露于蒸 气中时，气相原子首先 由于热离化产生电子，然后 这些电子被加速到阳极，离 子移向收集极，在收集极离 子被离化，相应的电流Ii正比 于离子的数量和离化电子电 流Ie。
E h EB
其中v为入射X射线的频率，EB是被激发出来的电子原来的能级能量 。在入射X射线波长固定的情况下，测量激发出来的光电子的能量E ，就可以获得样品中元素含量和其分布的情况。
1.0 carbide bonds
C-C bonds
0.5
as-deposited
C/S (x10 )
0.0 1.0 0.5 0.0 1.0 0.5 0.0
测出Δ0和Δ，即测出了薄膜的厚度
（2） 不透明薄膜厚度测量的等色干涉法
使用非单色光源照射薄膜表面 采用光谱仪测量玻璃片、薄膜间距S引起的相邻两个干涉极大 条件下的光波长λ1、λ2，以及台阶h引起的波长差Δλ 由下式推算薄膜台阶的高度
2 h 1 2 2
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到0.1nm
的能量为鉴定和识别原子提供了依 据，而辐射强度可以提供粒子的数 量，即样品的成分的依据。辐射源和
薄膜材料的表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
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一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。 在大多数的情况下，这种方法主要是被用来测量沉积速度。 将其与电子技术相结合，不仅可实现沉积速度、厚度的检测， 还可反过来控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于薄膜沉 积过程的自动控制。
使用非单色光源照射薄膜表面 采用光谱仪测量玻璃片、薄膜间距S引起的相邻两个干涉极大
条件下的光波长λ1、λ2，以及台阶h引起的波长差Δλ 由下式推算薄膜台阶的高度
h 2 1 2 2
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到小于1nm
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6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
• 第一台商品扫描电镜于1965年研制成功（英国剑桥科学公司MarkⅠ型）。
• 以后直到70年代末，美、英、法、荷兰、日、德等十多家厂商生产和出售了 6000多台扫描电镜，这些公司积极发展新的改进型仪器，但直到现在，扫描 电镜的基本结构与1942年的仪器仍相差不大。
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6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
第一种，变角度干涉法（VAMFO）
在样品角度连续变化的过程中，在光学显微镜下可以观
察到干涉极大和极小的交替出现。当衬底不透明，且具有一定
的反射率时，光的干涉条件为：
h=Nλ/(2n1cosθ) 由干涉极值出现的角度θ′和已知的n1，可以拟合求出N和 薄膜厚度h。
缺点：必须已知波长λ时薄膜的n1。否则，就需要先由一个假 设的折射率出发，并由测量得到的一系列干涉极值时的入射角θ
′（θ）去拟合它。
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6.射干涉法（CARIS）。 使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情
况下，用光谱仪分析光的干涉波长λ。 干涉极大或极小出现的条件与上同，但此时N与λ均在变
6.2.1 SEM (scanning electron microscope) ---电镜的发展简史
• 1935年，Knoll提出扫描电镜的设计思想
• 1942年，Zworykin等人通过反复研究，设计了第一台用于观察厚试样的扫 描电镜，并提出形貌反差主要是由二次电子发射所致，获得了50nm的分辨 率。并且建立了现代扫描电镜的基本理论的。
第六章 薄膜材料的表征方法
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1
较为广泛的方法:
➢薄膜的厚度测量 ➢薄膜的形貌和结构的表征 ➢薄膜成分的分析 ➢薄膜附着力的测量
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2
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
光学方法可被用于透明和不透明薄膜 使用方便，测量精度高 多利用光的干涉现象作为测量的物理基础
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3
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
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12
6.2 薄膜形貌的表征方法
电子束与固体样品作用时产生的信号
散射 当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原
子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散 射。 原子对电子的散射还可以进一步分为弹性散射和非弹性散 射。 在弹性散射中，电子只改变运动方向，基本上无能量变化。 在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度 的衰减，衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等。
衬底不很规则时，准确测量薄膜的面积也较难。 可用于薄膜厚度的实时测量。 采取将质量测量精度提高至10-8g，同时加大衬底面积并降低
其质量的方法，甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一 个原子层的高水平。
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6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理
6.1.1.1 光的干涉条件
nc(AB+BC)-AN=2 nchcosθ=Nλ (N-任意正整数)
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6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.2 不透明薄膜厚度测量的等厚干涉法
➢ 台阶上下沉积一层高反射率的金属层
➢ 覆盖半反射半透明的平板玻璃片
➢ 单色光照射，玻璃片和薄膜之间光的反射导致干涉现象 ➢ 光干涉形成极大的条件为S=1/2(N-1)λ ➢ 在玻璃片和薄膜的间距S增加ΔS＝λ/2时，将出现一条对应
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6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
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6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发(SEM) ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 (S
EM) ➢ 透射电子（TEM） ➢ 俄歇电子：内层电子激发(AES，表面层成分分
析)
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6.2 薄膜形貌的表征方法
原理： 在薄膜与衬底均是透明的，且折射率分别为n1、n2时，薄
膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化 而发生振荡。
当n1> n2（n2＝1.5，相当于玻璃）时，反射极大的位置： h = (2m+1)λ/4n1
对于n1< n2，反射极大的条件变为： h = (m+1)λ/2n1
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化，而θ不变， h=N1λ1/(2n1cosθ)＝N2λ2/(2n1cosθ) h= -ΔNλ1λ2/[2n1(λ1-λ2)cosθ]
前提条件是已知薄膜的折射率n1，且不随波长λ变化。
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9
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.1 表面粗糙度仪法
直径很小的触针滑过薄膜表面，同时记录触针在垂直方向的移 动情况并画出薄膜表面轮廓。
可测量表面粗糙度，也可测量特意制备的薄膜台阶高度，得到 薄膜厚度的信息。
垂直位移的分辨率最高可达1nm。 方法简单，测量直观 缺点在于：
（1）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差； （2）对于表面粗糙的薄膜，其测量误差较大。
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6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 称量法
精确测定薄膜的A、ρ和m，由h=m/Aρ可计算薄膜厚度h。 缺点：精确度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度；在
的干涉条纹，间隔为Δ0。 ➢ 薄膜上形成的厚度台阶也会引起光程差S的改变，因而它会
使得从显微镜中观察到的光的干涉条纹发生移动。
➢ 条纹移动Δ所对应的台阶高度应为h=Δλ/(2Δ0) ➢ 测出Δ0和Δ，即测出了薄膜的厚度
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6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.2 不透明薄膜厚度测量的等色干涉法