Determinación del espesor y el índice de refracción de películas delgadas de SiO2 utilizando el método de optimización global Cross-entropy
DOI:
https://doi.org/10.33448/rsd-v10i10.19028Palabras clave:
Optimización global; Caracterización óptica; Película delgada; Modelo de Cauchy; SiO2; Cross-entropy; Bootstrapping.Resumen
El dióxido de silicio (SiO2) es un material abundante en la naturaleza y tiene una amplia aplicación en dispositivos semiconductores y aislantes. En este trabajo, se cultivó un conjunto de seis muestras de SiO2 en un sustrato de silicio Sigma-Aldrich, variando el tiempo de crecimiento y la temperatura. Este conjunto de muestras se cultivó utilizando tiempos de 10 y 12 h y temperaturas de 800, 900 y 1000 ° C, en atmósfera ambiente. Después del crecimiento de la película, se realizaron mediciones de reflectancia en las películas y en el sustrato, utilizando el espectrofotómetro Stellarnet UV-VIS-NIR entre 194 y 1081,5 nm. Estas medidas se modelaron utilizando un método de optimización global, llamado Cross-entropía, junto con la técnica de remuestreo Bootstrapping, buscando determinar de manera robusta y estadísticamente el índice de refracción de película delgada en función de la longitud de onda y su espesor. Para estimar el índice de refracción de la película delgada de SiO2, se utilizó el modelo de Cauchy. Para el sustrato, se utilizaron medidas de reflectancia. El método demostró ser eficiente, presentando valores de espesor que fueron validados según parámetros de crecimiento y datos de la literatura. Este método demostró ser una herramienta importante y de bajo costo, en comparación con los métodos tradicionales, para ayudar en los pasos de construcción de películas delgadas para dispositivos semiconductores y aislantes, mejorando así sus propiedades físicas y permitiendo el desarrollo de nuevos dispositivos.
Citas
Batsanov, S. S., Ruchkin, E. D., & Poroshina, I. A. (2016). Refractive Indices of Solids. In Springer Briefs in Applied Sciences and Technology. Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-10-0797-2
Black, R. D., Arthur, S. D., Gilmore, R. S., Lewis, N., Hall, E. L., & Lillquist, R. D. (1988). Silicon and silicon dioxide thermal bonding for silicon‐on‐insulator applications. Journal of Applied Physics, 63(8), 2773–2777. https://doi.org/10.1063/1.340976
Boos, D. D. (2003). Introduction to the Bootstrap World. Statistical Science, 18(2). https://doi.org/10.1214/ss/1063994971
Chakravarty, S., Teng, M., Safian, R., & Zhuang, L. (2021). Hybrid material integration in silicon photonic integrated circuits. Journal of Semiconductors, 42(4), 041303. https://doi.org/10.1088/1674-4926/42/4/041303
Curran, A., Gocalinska, A., Pescaglini, A., Secco, E., Mura, E., Thomas, K., Nagle, R. E., Sheehan, B., Povey, I. M., Pelucchi, E., O’Dwyer, C., Hurley, P. K., & Gity, F. (2021). Structural and Electronic Properties of Polycrystalline InAs Thin Films Deposited on Silicon Dioxide and Glass at Temperatures below 500 °C. Crystals, 11(2), 160. https://doi.org/10.3390/cryst11020160
Eckertová, L. (2012). Physics of Thin Films. Estados Unidos: Springer US.
El-Bindary, A., Anwar, Z., & El-Shafaie, T. (2021). Effect of silicon dioxide nanoparticles on the assessment of quercetin flavonoid using Rhodamine B Isothiocyanate dye. Journal of Molecular Liquids, 323, 114607. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114607
Gao, L., Lemarchand, F., & Lequime, M. (2013). Refractive index determination of SiO2 layer in the UV/Vis/NIR range: spectrophotometric reverse engineering on single and bi-layer designs. Journal Of The European Optical Society - Rapid Publications, 8. doi:10.2971/jeos.2013.13010
Garcia-Caurel, E., De Martino, A., Gaston, J.-P., & Yan, L. (2013). Application of Spectroscopic Ellipsometry and Mueller Ellipsometry to Optical Characterization. Applied Spectroscopy, 67(1), 1–21. https://doi.org/10.1366/12-06883
Heavens, O. S. (1991). Optical Properties of Thin Solid Films, Dover Books on Physics Series
Huanca, D. R., & Salcedo, W. J. (2015). Optical characterization of one-dimensional porous silicon photonic crystals with effective refractive index gradient in depth. Physica Status Solidi (a), 212(9), 1975–1983. https://doi.org/10.1002/pssa.201532063
Jain, A. K., Dubes, R. C., & Chen, C.-C. (1987). Bootstrap Techniques for Error Estimation. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, PAMI-9(5), 628–633. https://doi.org/10.1109/tpami.1987.4767957
Jesus, J. J. de, Oliveira, A. F. , & Silva, A. P. da. (2021). Espectrômetro digital. Uma proposta de construção de um experimento de Física Moderna para o ensino remoto. Research, Society and Development, 10(8), e51410817786. https://doi.org/10.33448/rsd-v10i8.17786
Li, J., & Wu, S.-T. (2004). Extended Cauchy equations for the refractive indices of liquid crystals. Journal of Applied Physics, 95(3), 896–901. https://doi.org/10.1063/1.1635971
Liu, S., Deng, Z., Li, J., Wang, J., & Huang, N. (2019). Measurement of the refractive index of whole blood and its components for a continuous spectral region. Journal of Biomedical Optics, 24(03), 1. https://doi.org/10.1117/1.jbo.24.3.035003
Losurdo, M., Bergmair, M., Bruno, G., Cattelan, D., Cobet, C., de Martino, A., Fleischer, K., Dohcevic-Mitrovic, Z., Esser, N., Galliet, M., Gajic, R., Hemzal, D., Hingerl, K., Humlicek, J., Ossikovski, R., Popovic, Z. V., & Saxl, O. (2009). Spectroscopic ellipsometry and polarimetry for materials and systems analysis at the nanometer scale: state-of-the-art, potential, and perspectives. Journal of Nanoparticle Research, 11(7), 1521–1554. https://doi.org/10.1007/s11051-009-9662-6
Oliveira, A. F., Rubinger, R. M., Monteiro, H., Rubinger, C. P. L., Ribeiro, G. M., & de Oliveira, A. G. (2015). Main scattering mechanisms in InAs/GaAs multi-quantum-well: a new approach by the global optimization method. Journal of Materials Science, 51(3), 1333–1343. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9451-9
Pereira, A.S., Shitsuka, D. M., Parreira, F. J., Shitsuka, R. (2018) Metodologia de pesquisa científica, UFSM
Ribeiro, L. H., Ider, J., Oliveira, A. F., Rubinger, R. M., Rubinger, C. P. L., & de Oliveira, A. G. (2021). Investigation of electronic transport in InAs/GaAs samples. A study using the metaheuristic self-adaptive differential evolution method. Physica B: Condensed Matter, 413293. https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.413293
Rubinger, R. M., da Silva, E. R., Pinto, D. Z., Rubinger, C. P. L., Oliveira, A. F., & da Costa Bortoni, E. (2015). Comparative and quantitative analysis of white light-emitting diodes and other lamps used for home illumination. Optical Engineering, 54(1), 014104. https://doi.org/10.1117/1.oe.54.1.014104
Rubinstein, R. Y. (1997). Optimization of computer simulation models with rare events. European Journal of Operational Research, 99(1), 89–112. https://doi.org/10.1016/s0377-2217(96)00385-2
Rubinstein, R. Y. & Kroese, D. P. (2004) The Cross-Entropy Method: A Unified Approach to Combinatorial Optimization, Monte-Carlo Simulation and Machine Learning (Information Science and Statistics), Springer.
Vidakis, N., Petousis, M., Velidakis, E., Tzounis, L., Mountakis, N., Korlos, A., Fischer-Griffiths, P. E., & Grammatikos, S. (2021). On the Mechanical Response of Silicon Dioxide Nanofiller Concentration on Fused Filament Fabrication 3D Printed Isotactic Polypropylene Nanocomposites. Polymers, 13(12), 2029. https://doi.org/10.3390/polym13122029
Zhu, W. (1997). Making Bootstrap Statistical Inferences: A Tutorial. Research Quarterly for Exercise and Sport, 68(1), 44–55. https://doi.org/10.1080/02701367.1997.10608865
Zou, X., Ji, L., Ge, J., Sadoway, D. R., Yu, E. T., & Bard, A. J. (2019). Electrodeposition of crystalline silicon films from silicon dioxide for low-cost photovoltaic applications. Nature Communications, 10(1). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13065-w
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