测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107270822 A(43)申请公布日 2017.10.20

(21)申请号 201710558888.4(22)申请日 2017.07.10

(71)申请人 中国科学院电子学研究所

地址 100190 北京市海淀区北四环西路19

号(72)发明人 祁志美　万秀美　高然　程进　(74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任

公司 11021

代理人 曹玲柱(51)Int.Cl.

G01B 11/06(2006.01)G01N 15/08(2006.01)

权利要求书3页 说明书9页 附图4页

()发明名称

测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法(57)摘要

本公开提供了一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法，其对测得的至少两个测试共振光谱进行仿真拟合，得到多孔薄膜厚度d与其孔隙率P的至少两个P-d函数关系，最后由这至少两个P-d函数关系曲线的交点得到待测多孔薄膜的厚度及孔隙率。本公开不仅实现了直接对多孔薄膜的厚度进行测量，还可同时获得多孔薄膜的孔隙率，具有简便易行、成本低廉、无破坏性等特点，具有较好的应用前景。

CN 107270822 ACN 107270822 A

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1.一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法，包括：

获得包括透明基底/缓冲膜/待测多孔薄膜的共振芯片；

获得所述共振芯片在不同测试条件的至少两条测试共振光谱-第一测试共振光谱和第二测试共振光谱，其中，第一测试共振光谱对应于第一测试条件，第二测试共振光谱对应于第二测试条件；

通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取在第一测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度关系的第一函数；及在第二测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度关系的第二函数；以及

求解同时满足第一函数和第二函数的孔隙率和厚度，即为待测多孔薄膜的孔隙率和厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，覆盖层相同，入射角度不同的两测试条件；或偏振态相同，入射角度相同，覆盖层不同的两测试条件；或偏振态不同，入射角度相同，覆盖层相同的两测试条件。3.根据权利要求2所述的方法：

所述第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，覆盖层相同，入射角度分别为θ1和θ所述获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步2的两测试条件；骤中，第一测试共振光谱对应于入射角度θ第二测试共振光谱对应于入射角度θ所述通1；2；过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一个入射角度，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数；或

所述第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，入射角度相同，覆盖层不同的两测试条件；所述获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步骤中，第一测试共振光谱对应于第一覆盖层；第二测试共振光谱对应于第二覆盖层；所述通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一覆盖层，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数；或

所述第一测试条件和第二测试条件为：偏振态不同，入射角度相同，覆盖层相同的两测试条件；所述获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步骤中，第一测试共振光谱对应于第一偏振态；第二测试共振光谱对应于第二偏振态；所述通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一偏振态，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数。

4.根据权利要求2所述的方法，所述针对第i测试条件，通过对第i测试共振光谱的仿真拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数关系的步骤包括：

设定M个孔隙率；对于孔隙率Pm，将其与不同的厚度设定值去组合，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱，选取仿真共振光谱的共振角或共振波长与第i测试共振光谱的共振角或共振波长相等时对应的厚度值作为厚度最优值dm，m＝1，2，3，……，M；

由数据点(P1、d1)、(P2、d2)、……、(PM、dM)得到第i测试条件下表征孔隙率和厚度关系的第i函数，θd)或λd)，这里θλR＝f(P、R＝g(P、R和R代表在第i测试条件下实验获得的共振角或共振波长；

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其中，i＝一或二；M≥2。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述对于孔隙率Pm，将其与不同的厚度设定值去组合，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱的步骤包括：

预设所述待测多孔薄膜的孔隙率为Pm，根据孔隙率与折射率的关系，得到其对应的待测多孔薄膜的平均折射率nm；

设定所述待测多孔薄膜的厚度值dm′；在第i测试条件下，将平均折射率nm与厚度设定值dm′的组合(nm、dm′)代入到Fresnel公式中，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述孔隙率与折射率的关系为Bruggeman介电常数近似方程，该Bruggeman介电常数近似方程为：

其中，na、nb分别代表待测多孔薄膜中的骨架材料、孔内填充介质的折射率，n代表待测多孔薄膜的平均折射率。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述Fresnel公式为：R＝r1234·r1234*

对于TE偏振入射光，rij由下式获得：对于TM偏振入射光，rij由下式获得：

其中，层1为透明基底，层2为缓冲膜，层3为待测多孔薄膜，层4为覆盖层；d2为缓冲膜的厚度，为已知量；d3同d，为待测多孔薄膜的厚度，为待求量；ki和kj分别表示光在层i和层j中的传播常数；r1234为该4层膜结构总的反射系数，r234表示光在由层2，3，4组成的3层膜结构中的反射系数，rij表示光在层i与层j的界面上的反射系数；

θθθ1为光在透明基底/缓冲膜界面处的入射角，i和j分别代表光由层i入射到层j中时对应的入射角和折射角；λ为入射光波长。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一测试共振光谱和第二测试共振光谱振角或共振波长的数目不少于1个。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中：所述透明基底为以下基底中的一种：玻璃、载玻片、平板石英玻璃、平板有机聚合物、硅片、单晶基片；和/或

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所述缓冲膜的折射率低于透明基底和待测多孔薄膜的折射率。10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，通过以下结构其中之一来获得共振芯片在不同测试条件的至少两条测试共振光谱：Kretschmann棱镜耦合结构、Otto棱镜耦合结构、光栅耦合结构。

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测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法

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技术领域

[0001]本公开涉及精密检测领域，尤其涉及一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法。背景技术

[0002]多孔薄膜材料具有比表面积大、透过性高、热力学稳定性好、分子吸附能力强以及良好的可组装性和成膜性等物化特性，已被广泛应用于实验、生产及生活的各个方面。而多孔薄膜的厚度和孔隙率直接决定了薄膜的物理和化学性质，是衡量多孔薄膜材料质量的重要性能参数，故实现对其高效准确的测量至关重要。[0003]目前对于多孔薄膜性能参数的检测中，常见的用于测量薄膜厚度的方法主要包括非光学方法和光学方法，前者是指利用非光学的手段直接或者间接获取薄膜厚度，主要包括轮廓法、石英晶控法、电阻法、电容法、电磁法、涡流法、称量法、超声波法、α粒子法、探针法等；而后者则是利用光学原理进行的无损测量，方法主要有椭圆偏振法、全光谱拟合法、光谱法、外差干涉测量法、移相干涉测量法、等厚干涉和干涉色测量法、阿贝法(又称布鲁斯特角法)等。

[0004]目前对于多孔薄膜性能参数的探测中，常见的测试多孔材料孔隙率大多采用电镜扫描图片法、压汞法、泡点法、气体吸附法、库尔特仪等方法。这些方法中大都采用昂贵的仪器设备，成本高、结构复杂、不易操作。[0005]并且，现有技术不能实现多孔薄膜厚度和孔隙率的同步测量。[0006]公开内容[0007](一)要解决的技术问题

[0008]本公开提供了一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法，以简单、准确、有效地同时得出多孔薄膜材料的厚度与孔隙率。[0009](二)技术方案

[0010]本公开提供了一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法，包括：[0011]获得包括透明基底/缓冲膜/待测多孔薄膜的共振芯片；

[0012]获得共振芯片在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱-第一测试共振光谱和第二测试共振光谱，其中，第一测试共振光谱对应于第一测试条件，第二测试共振光谱对应于第二测试条件；

[0013]通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取在第一测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度关系的第一函数；及在第二测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度关系的第二函数；以及

[0014]求解同时满足第一函数和第二函数的孔隙率和厚度，即为待测多孔薄膜的孔隙率和厚度。

[0015]在本公开的一些实施例中，第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，覆盖层相同，入射角度不同的两测试条件；或偏振态相同，入射角度相同，覆盖层不同的两测试条件；或偏振态不同，入射角度相同，覆盖层相同的两测试条件。

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CN 107270822 A[0016]

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在本公开的一些实施例中，

[0017](1)第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，覆盖层相同，入射角度分别为θθ获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步1和2的两测试条件；骤中，第一测试共振光谱对应于入射角度θ第二测试共振光谱对应于入射角度θ通过对1；2；第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一个入射角度，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数；或[0018](2)第一测试条件和第二测试条件为：偏振态相同，入射角度相同，覆盖层不同的两测试条件；获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步骤中，第一测试共振光谱对应于第一覆盖层；第二测试共振光谱对应于第二覆盖层；通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一覆盖层，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数；或[0019](3)第一测试条件和第二测试条件为：偏振态不同，入射角度相同，覆盖层相同的两测试条件；获得待测多孔薄膜在不同测试条件下的至少两条测试共振光谱的步骤中，第一测试共振光谱对应于第一偏振态；第二测试共振光谱对应于第二偏振态；通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取第一函数和第二函数的步骤包括：针对每一偏振态，通过最佳拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数。[0020]在本公开的一些实施例中，针对第i测试条件，通过对第i测试共振光谱的仿真拟合得到其对应的孔隙率-厚度的函数关系的步骤包括：设定M个孔隙率；对于孔隙率Pm，将其与不同的厚度设定值去组合，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱，选取仿真共振光谱的共振角或共振波长与第i测试共振光谱的共振角或共振波长相等时对应的厚度值作为厚度最优值dm，m＝1，2，3，……，M；由数据点(P1、d1)、(P2、d2)、……、(PM、dM)得到第i测试条件下表征孔隙率和厚度关系的第i函数，θd)或λd)，这里θλR＝f(P、R＝g(P、R和R代表在第i测试条件下实验获得的共振角或共振波长；其中，i＝一或二；M≥2。[0021]在本公开的一些实施例中，对于孔隙率Pm，将其与不同的厚度设定值去组合，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱的步骤包括：预设待测多孔薄膜的孔隙率为Pm，根据孔隙率与折射率的关系，得到其对应的待测多孔薄膜的平均折射率nm；设定待测多孔薄膜的厚度值dm′；在第i测试条件下，将平均折射率nm与厚度设定值dm′的组合(nm、dm′)代入到Fresnel公式中，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱。[0022]在本公开的一些实施例中，孔隙率与折射率的关系为Bruggeman介电常数近似方程，该Bruggeman介电常数近似方程为：

[0023]

其中，na、nb分别代表待测多孔薄膜中的骨架材料、孔内填充介质的折射率，n代表待测多孔薄膜的平均折射率；

[0025]在本公开的一些实施例中，Fresnel公式为：[0026]R＝r1234·r1234*

[0027]

[0024]

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CN 107270822 A[0028][0029]

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[0030]对于TE偏振入射光，rij由下式获得：对于TM偏振入射光，rij由下式获得：

[0031][0032]

其中，层1为透明基底，层2为缓冲膜，层3为待测多孔介质膜，层4为覆盖层；d2为缓

冲膜的厚度，为已知量；d3同d，为待测多孔薄膜的厚度，为待求量；ki和kj分别表示光在层i和层j中的传播常数；r1234为该4层膜结构总的反射系数，r234表示光在由介质2，3，4组成的3层膜结构中的反射系数，rij表示光在层i与层j的界面上的反射系数；θ1为光在透明基底/缓冲膜界面处的入射角，θθλ为i和j分别代表光由层i入射到层j中时对应的入射角和折射角；入射光波长。

[0033]在本公开的一些实施例中，第一测试共振光谱和第二测试共振光谱振角或共振波长的数目不少于1个。

[0034]在本公开的一些实施例中，透明基底为以下基底中的一种：玻璃、载玻片、平板石英玻璃、平板有机聚合物、硅片、单晶基片；和/或缓冲膜的折射率低于透明基底和待测多孔薄膜的折射率。

[0035]在本公开的一些实施例中，通过以下结构其中之一来获得共振芯片在不同测试条件的至少两条测试共振光谱：Kretschmann棱镜耦合结构、Otto棱镜耦合结构、光栅耦合结构。[0036](三)有益效果

[0037]从上述技术方案可以看出，本公开测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法所使用的设备成本较低、操作简单，仿真拟合中所涉及的理论亦不复杂，并且能够同时获取多孔薄膜的厚度与孔隙率，对于快速准确地同时获得多孔薄膜的多个参数具有十分重要的现实意义。附图说明

[0038]图1是本公开实施例测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法的流程图。

[0039]图2是本公开中涉及的基于Kretschmann棱镜耦合结构测试共振光谱的装置示意图，光源光透过线性偏振器后成TM偏振入射光或TE偏振入射光。

[0040]图3所示为实施例1中在不同入射角度下测得的覆盖层为空气时的四个TM偏振共振光谱以及在设定了多孔薄膜孔隙率P为0.5时仿真拟合得到的反射率光谱，对应的最佳薄膜厚度分别为(a)--2.7nm(-12°)；(b)--2.5nm(-8°)；(c)--262nm(-4°)；(d)--260.8nm(0°)。

[0041]图4所示为实施例1中在相同覆盖层(空气)和TM偏振入射光条件下获得的待测多孔薄膜的四条P-d曲线，四条曲线对应四个不同的入射角度。

[0042]图5所示为实施例2中在相同覆盖层(空气)和TE偏振入射光条件下获得的待测多孔薄膜的四条P-d曲线，四条曲线对应四个不同的入射角度。

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图6所示为结合实施例1中的TM偏振共振光谱与实施例2中的TE偏振共振光谱得到

的在相同覆盖层(空气)，但不同偏振入射光下的多条P-d曲线。

[0044]图7所示为实施例3中采用单一偏振态(TM)的入射光在不同覆盖层(空气和水)条件下获得的待测多孔薄膜的两条P-d曲线。

具体实施方式

[0045]本公开提供了一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法，该方法包括：制备待测多孔薄膜；利用Kretschmann棱镜耦合结构获得共振光谱；确定共振波长λ结合使R或共振角，用Bruggeman介电常数近似方程和Fresnel理论对测得的测试共振光谱进行仿真拟合；得到多孔薄膜厚度d与其孔隙率P的关系曲线；最后由多条P-d曲线的交点得到待测多孔薄膜的厚度及孔隙率。[0046]具体地，本公开实施例提供了一种测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法。如图1所示，本公开实施例测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法包括：[0047]步骤A，获得透明基底/缓冲膜/待测多孔薄膜的共振芯片；[0048]本实施例中，在干净的玻璃基底上溅射金属膜(金属可以为金、银、铜等)，然后在金属膜上制备多孔薄膜。其中，金属膜的厚度介于10nm～100nm之间。[0049]除了玻璃基底之外，透明基片还可以为载玻片、平板石英玻璃、平板有机聚合物、硅片、单晶基片中的一种。但透明基片的折射率应当已知。[0050]除了金属膜之外，缓冲膜还可以为MgF2薄膜、Teflon薄膜、多孔SiO2薄膜等低折射率缓冲膜。此处的“低折射率”应当是缓冲膜的折射率小于玻璃基片和待测多孔薄膜的折射率。且该低折射率缓冲膜的厚度和折射率应当已知。[0051]待测多孔薄膜为多孔介质薄膜，该多孔介质薄膜的组成成分已知。待测多孔薄膜可通过自组装、模板法、溶胶-凝胶方法、电化学方法、真空掠射角沉积方法获得。[0052]步骤B，获得共振芯片在不同测试条件的至少两条测试共振光谱-第一测试共振光谱和第二测试共振光谱，其中，第一测试共振光谱对应于第一测试条件，第二测试共振光谱对应于第二测试条件；[0053]在本公开中，需要对在不同测试条件下测得的至少两条测试共振光谱进行仿真拟合，从而得到至少两组P-d关系曲线，进而由曲线交点获得待测多孔薄膜的厚度d及孔隙率P。不同测试条件测得的至少两条测试共振光谱可以是：

[00]I.由单一偏振态(TE/TM偏振态)的入射光在不同入射角度、相同覆盖层(空气或水溶液)下获得；或

[0055]II.由单一偏振态的入射光在相同入射角度，不同覆盖层下获得；或[0056]III.由不同偏振态的入射光在相同入射角度，相同覆盖层下获得。[0057]无论在上述三种情况中的哪种情况下获得的共振光谱，均可以通过仿真拟合的方式同时得到待测多孔薄膜的厚度与孔隙率信息。[0058]本实施例中，利用Kretschmann棱镜耦合结构探测得到制得的共振芯片的多条共振光谱，由该共振光谱就可以确定在入射角度为θ时对应的共振波长λθ需要说R或共振角R。明的是，无论是哪一种结构，第一测试共振光谱和第二测试共振光谱振波长或共振角的数目不少于1个。

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图2为Kretschmann棱镜耦合结构的示意图。如图2所示，首先通过高折射率耦合液

将在玻璃基底上制备的待测多孔薄膜固定到棱镜底面，待测多孔薄膜暴露在最外侧。卤钨灯发出的宽带光经多模石英光纤、聚焦透镜及线性偏振片变为TE或TM偏振的准平行光束，然后以图2所示的角度θ入射到玻璃棱镜上，这里的角度θ可以通过旋转装置转盘来调节，进入到棱镜的光束在共振芯片的玻璃基片/金膜界面发生全反射，全反射产生的消逝场可在待测多孔薄膜内激发导模进而使得全反射光谱在某一波段呈现出一个波谷，这样由CCD光谱仪记录的共振光谱中波谷所对应的波长即为共振波长λR。[0060]除了Kretschmann棱镜耦合结构之外，本领域技术人员应当清楚，采用Otto棱镜耦合结构、光栅耦合结构，同样可以获得共振芯片的共振光谱，此处不再详细说明。[0061]步骤C，通过对第一测试共振光谱和第二测试共振光谱的仿真拟合，求取在第一测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度关系的第一函数；及在第二测试条件下，表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度变关系的第二函数；[0062]在步骤C的仿真过程中，利用到了两个关系：[0063]一、待测多孔薄膜的孔隙率P与待测多孔薄膜的平均折射率n的函数关系，该函数关系由Bruggeman介电常数近似方程获得；[00]首先，使用Bruggeman介电常数近似方程(如式(1))得到待测多孔薄膜表面的覆盖层为空气或水时对应的在不同孔隙率P下的待测多孔薄膜的平均折射率n：

[0065][0066]

式(1)中f1、f2和f3分别代表待测多孔薄膜中的骨架材料、孔内介质(空气或水)和

孔内吸附介质的体积分数，而且f1+f2+f3＝1。n1、n2和n3分别代表它们的折射率，且均为已知量；当f3＝0时，f2即对应为待测多孔薄膜的孔隙率P，此时方程(1)可简化为：

[0067][0068]

需要说明的是，除了使用Bruggeman介电常数近似方程来计算待测多孔薄膜的平均折射率之外，还有本领域技术人员所熟知的其他公式(如洛仑兹公式)也可以用来计算待测多孔薄膜的平均折射率，此处不再赘述。[0069]二、待测多孔薄膜的反射率R与待测多孔薄膜的平均折射率n和厚度d的函数关系，该函数关系由Fresnel公式获得；[0070]利用由式(2)得到的多孔薄膜折射率与孔隙率的定量关系，再结合适用于4层膜结构的Fresnel公式对测得的测试共振光谱进行仿真拟合：[0071]R＝r1234·r1234*  (3)

[0072][0073][0074][0075]

对于TE偏振入射光：

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对于TM偏振入射光：

其中层1为玻璃基片，层2为金属膜，层3为待测多孔薄膜，层4为空气或水覆盖层；

d2(已知)、d3(同d)分别为金膜与待测多孔薄膜的厚度；ki和kj分别表示光在层i和层j中的传播常数；r1234为该4层膜结构总的反射系数，r234表示光在由层2，3，4组成的3层膜结构中的反射系数，rij表示光在层i与层j的界面上的反射系数，对于TE偏振入射光rij可由式(7)得出，对于TM偏振入射光rij可由式(7-2)得出；θ1为光在玻璃基底/金膜界面处的入射角度，θθλ为入射光波长。i和j分别代表光由层i入射到层j中时对应的入射角度和折射角；[0080]基于上述，获得在第i测试条件下，获得表征待测多孔薄膜的孔隙率和厚度变化的第i函数的步骤包括：[0081]子步骤C1，设定M个孔隙率；[0082]子步骤C2，对于孔隙率Pm，将其(其实是由孔隙率Pm根据Bruggeman介电常数近似方程计算出的待测多孔薄膜的平均折射率nm)与不同的厚度设定值去组合，代入到Fresnel公式中，得到该组合在第i测试条件下的仿真共振光谱，选取仿真共振光谱的共振角或共振波长与第i测试共振光谱的共振角或共振波长相等时对应的厚度值作为厚度最优值dm，m＝1，2，3，……，M；

[0083]子步骤C3，由数据点(P1、d1)、(P2、d2)、……、(PM、dM)得到第i测试条件下表征孔隙率和厚度关系的第i函数，θd)或λd)，这里θλR＝f(P、R＝g(P、R和R代表在第i测试条件下实验获得的共振角或共振波长，f和g为相应的函数关系；[0084]其中，i＝一或二；M≥2。[0085]步骤D，求解同时满足第一函数和第二函数的孔隙率和厚度，即为待测多孔薄膜的孔隙率和厚度；[0086]例如：该第一函数和第二函数可以表现为曲线的形式，求取两条曲线的交点，即可确定待测多孔薄膜的孔隙率和厚度。[0087]至此，本实施例测定多孔薄膜厚度和孔隙率的方法介绍完毕。[0088]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。[00]在这些实例中，选择多孔TiO2薄膜为待测多孔薄膜，金属膜选为金膜，金膜厚度大约为40nm。[0090]一、实例一

[0091]本实例测量多孔薄膜厚度和孔隙率的方法中，待测多孔薄膜为使用溶胶-凝胶分子模板法在溅射了40nm金膜的玻璃基片上制备了的多孔TiO2薄膜。[0092]本实例测量多孔薄膜厚度和孔隙率的方法包括：[0093]步骤S102，利用Kretschmann棱镜耦合结构，获得TM偏振光在四个入射角度分别对应的测试共振光谱；[0094]首先，将玻璃基片整体固定到玻璃棱镜底面，使多孔TiO2薄膜表面直接暴露在空

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[0079]

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气中，即此时对应的覆盖层为空气；[0095]而后，调节偏振器，使入射光为TM偏振光，使用CCD光谱仪分别记录了TM偏振光在入射角度θ为-12°、-8°、-4°、0°下的共振光谱，分别如图3(a)，(b)，(c)，(d)中实线所示。由图可确定四个入射角度分别对应的共振波长λR分别为715.18nm，686.76nm，662.23nm，639.87nm。

[0096]步骤S104，针对待测多孔薄膜，对于每一个入射角度，通过最佳拟合得到孔隙率-厚度(P-d)的函数关系曲线。[0097]本实例中，具有四个入射角度，分别为：θ、θ、θ、θ。以下1＝-12°2＝-8°3＝-4°4＝0°以入射角度θn＝1、2、3、4。n为例进行说明，[0098]对于该入射角度θ包括：n，[0099]子步骤S104a，将待测多孔TiO2薄膜的孔隙率分别设定为P1＝0，P2＝0.05，P3＝0.1，P4＝0.15，P5＝0.2，P6＝0.25，P7＝0.3，P8＝0.35，P9＝0.4，P10＝0.45，P11＝0.5，P12＝0.55，P13＝0.6；

[0100]子步骤S104b，对于每一个孔隙率设定值Pm，将其与不同的厚度设定值去组合，得到该组合在入射角度θ选取仿真共振光谱与入射角度θn下的仿真共振光谱，n对应的测试共振光谱的共振角或共振波长相等时对应的厚度值作为厚度最优值dm，m＝1，2，3，……，13。[0101]子步骤S104c，由多个孔隙率和分别对应的厚度最优值，得到该入射角度θn对应的P-d关系曲线。

[0102]依据上述子步骤S104a～子步骤S104c，就可以得到四个不同角度入射时所对应的P-d关系曲线

[0103]具体而言，首先设定了多孔TiO2薄膜的孔隙率为0.5，使用式(1)所示的Bruggeman介电常数近似方程(f3＝0)得到多孔TiO2薄膜的平均折射率n，暂取多孔TiO2薄膜的厚度为某值(此值需大于等于多孔TiO2薄膜支持TM导模时的最小厚度值)，然后将n值与多孔TiO2薄膜的厚度值同时代入到TM偏振光对应的Fresnel公式中，这时会得到一个共振光谱。为使仿真计算所得的共振光谱与测得的实际光谱相吻合，需不断调节代入Fresnel公式中的多孔TiO2薄膜的厚度值。如此最终可计算得到与测试共振光谱的共振角或共振波长相吻合的反射谱，这时所对应的多孔TiO2薄膜的厚度即为所求的最优厚度。如图3(a)，(b)，(c)，(d)中虚线所示即为在设定多孔TiO2薄膜的孔隙率为0.5时对实际测得的共振光谱的最优拟合，此时对应的最佳多孔TiO2薄膜厚度d分别为2.7nm(图3(a))，2.5nm(图3(b))，262nm(图3(c))，260.8nm(图3(d))。

[0104]将多孔TiO2薄膜的孔隙率分别设定为0，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，然后按照前面所述方法依次对图3中测得的每一条共振光谱进行拟合，这样便得到了在TM偏振光以不同角度入射时所对应的P-d关系曲线，具体结果如图4所示。

[0105]步骤S106，求取图4中四条P-d关系曲线的交点，该交点对应的多孔率即为待测多孔TiO2薄膜的多孔率，该交点对应的厚度即为待测多孔TiO2薄膜的厚度。[0106]依据上述方法，可以获得制备的多孔TiO2薄膜的厚度约为285nm，孔隙率约为0.531。

[0107]二、实例二：

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与实例一不同的是入射光偏振态为TE偏振态，分别记录了光入射角度θ为-11°、-7°、-3°、1°时的共振光谱。依然将多孔TiO2薄膜的孔隙率分别设定为0，0.05，0.1，0.15，

0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，然后分别对每个角度下所测得的共振光谱进行拟合，同样得到了在TE偏振光以不同角度入射时所对应的P-d关系曲线，具体结果如图5所示。

[0109]由图5中四条P-d关系曲线的交点可同时获得制备的多孔TiO2薄膜的厚度约为282nm，孔隙率约为0.525。

[0110]结合实例一在TM偏振光下测得的测试共振光谱与实例二在TE偏振光下测得的测试共振光谱，可以分析在相同覆盖层、不同偏振态入射光下的P-d曲线。图6给出的是覆盖层为空气、TE偏振光的入射角度θ分别为1°和-3°、TM偏振光的入射角度θ分别为-4°和-12°时利用本公开涉及的方法得到的多条P-d曲线。由图6中P-d关系曲线的交点亦可同时获得制备的多孔TiO2薄膜的厚度约为268nm，孔隙率约为0.517。[0111]三、实例三[0112]利用相同的溶胶-凝胶分子模板法，通过调节成膜溶液的组份比例，制备出孔隙率不同于上述实施例的待测多孔TiO2薄膜，然后采用同样方法获得其在覆盖层分别为空气和水、入射光为TM偏振态时的测试共振光谱，采用本公开所涉及的方法对采集的共振光谱进行理论拟合，最终得到如图7所示的两条相交P-d曲线。[0113]具体的，本实例测量多孔薄膜厚度和孔隙率的方法包括：[0114]步骤S302，获得TM偏振光在覆盖层为空气时的第一测试共振光谱，在覆盖层为水时的第二共振光谱；[0115]步骤S304，针对待测多孔薄膜，对于覆盖层为空气，通过拟合得到孔隙率-厚度(P-d)的第一函数曲线；对于覆盖层为水，通过拟合得到孔隙率-厚度(P-d)的第二函数曲线；[0116]步骤S306，求取第一函数曲线和第二函数曲线的交点，即对应于待测多孔TiO2薄膜的厚度约为295nm，孔隙率约为0.4。[0117]在拟合计算过程中发现，计算所得的共振波长较实际的共振波长大时，需将待测多孔薄膜的厚度减小；而当计算得到的共振波长较实际的共振波长小时，需将待测多孔薄膜的厚度增大。

[0118]由前面所得到的多孔TiO2薄膜的厚度信息与由扫描电子显微镜(SEM)所得到的相关信息(厚度约为280nm)基本一致，最大厚度偏差约为5％，而孔隙率信息与用其它方法所得到也大致相同，其最大偏差约为3％.[0119]至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。[0120]至此，多个实施例对本公开涉及的方法进行了详细的描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开测量多孔薄膜厚度和孔隙率有了清楚的认识。[0121]综上所述，本公开实验测试包含待测多孔薄膜的共振芯片的多个共振光谱，结合使用Bruggeman介电常数近似方程和Fresnel理论对测得的多个测试共振光谱进行仿真拟合，得到多孔薄膜厚度d与其孔隙率P的多条关系曲线，最后由这几条P-d曲线交点得到待测

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多孔薄膜的厚度及孔隙率。本公开不仅实现了直接对多孔薄膜的厚度进行测量，还可同时获得多孔薄膜的孔隙率。本公开所涉及的方法具有简便易行、成本低廉、无破坏性等特点，具有较好的应用前景。

[0122]还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

[0123]除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。[0124]此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。[0125]类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

[0126]以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

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图1

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图2

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图4

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图6

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