Эллипсометрия тонких плёнок стандартного и восстановленного оксида графена

Ильин М.Е., Тойкка А.С., Воробьев М.Г., Каманина Н.В.

Ссылка для цитирования:

Ильин М.Е., Тойкка А.С., Воробьев М.Г., Каманина Н.В. Эллипсометрия тонких плёнок стандартного и восстановленного оксида графена // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 2. С. 88–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-02-88-95

Ilin M.E., Toikka A.S., Vorobev M.G., Kamanina N.V. Ellipsometry of standard and reduced graphene oxide thin films [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 2. P. 88–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-02-88-95

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Плёнки стандартного и восстановленного оксида графена. Цель работы. Установление зависимости оптических и морфологических параметров плёнок от состояния (стандартного или восстановленного) оксида графена методом эллипсометрии. Метод. Измерение компонент векторов поляризации и нахождение эллипсометрических углов y и D. Решение уравнения эллипсометрии с определением дисперсионных зависимостей коэффициентов экстинкции k и преломления n, толщины и шероховатости исследуемых плёнок. Основные результаты. Для плёнок стандартного и восстановленного оксида графена были определены дисперсионные зависимости параметров n и k в видимом диапазоне, установлен факт снижения толщины и шероховатости плёнки оксида графена при их восстановлении. Практическая значимость. Полученные в работе результаты эллипсометрии тонких плёнок стандартного и восстановленного оксида графена позволяют использовать стандартные плёнки в качестве просветляющих покрытий благодаря относительно низкому коэффициенту преломления и восстановленные плёнки в качестве отражающих и поглощающих электрических контактов благодаря повышенному (n = 2,7) коэффициенту преломления и экстинкции (k = 1,3). В дополнение к этому, предложенный метод может быть использован для определения степени восстановления материала.

Ключевые слова:

эллипсометрия, оксид графена, термическое восстановление, центрифугирование, тонкие плёнки

Благодарность:

работа Ильина М.Е., Тойкка А.С., Каманиной Н.В. в канве использования тонкоплёночных поляризаторов для функционирования ЖК ячеек с исследованными слоями оксидов графена поддержана Российским научным фондом, проект № 24-23-00021 (https://rscf.ru/project/24-23-00021/). Работа Воробьева М.Г. выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в ИПМаш РАН. Номер учредителя № FFNF-2021-0001. Регистрационный номер темы: 121112500383-9. Исследования проводились с использованием оборудования УНУ «Физика, химия и механика кристаллов и тонких плёнок» ФГУП ИПМаш РАН (Санкт-Петербург).

Коды OCIS: 060.5530, 050.1590, 060.5625

Список источников:

1. Elhosiny Ali H., Algarni H., Yahia I.S., Khairy Y. Optical absorption and linear/nonlinear parameters of polyvinyl alcohol films doped by fullerene // Chinese Journal of Physics. 2021. V. 72. P. 270–285. https://doi.org/10.1016/j.cjph.2021.04.022
2. Chang H., Wu H. Graphene-based nanomaterials: Synthesis, properties, and optical and optoelectronic applications // Advanced Functional Materials. 2012. V. 23(16). P. 1984–1997. https://doi.org/10.1002/adfm.201202460
3. Kamanina N.V. Mechanisms of optical limiting in p-conjugated organic system: Fullerene-doped polyimide // Synthetic Metals. 2002. V. 127. № 1–3. P. 121–128. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(01)00598-7
4. Kruss S., Hilmer A.J., Zhang J., Reuel N.F., Mu B., Strano M.S. Carbon nanotubes as optical biomedical sensors // Advanced Drug Delivery Reviews. 2013. V. 65(15). P. 1933–1950. https://doi.org/10.1016/j.addr.2013.07.015
5. Toikka A.S., Fedorova L.O., Kamanina N.V. Influence of laser-deposited carbon-containing nanoparticles on the orienting properties of indium-tin-oxide-based conducting layers for liquid crystal devices // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. P. 55–60. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000055
6. Lagerwall J.P.F., Scalia G. Carbon nanotubes in liquid crystals // Journal of Materials Chemistry. 2008. V. 18(25). P. 2890. https://doi.org/10.1039/b802707b
7. Draude A.P., Dierking I. Thermotropic liquid crystals with low-dimensional carbon allotropes // Nano Express. 2021. V. 2. № 1. P. 12002. https://doi.org/10.1088/2632-959X/abdf2d
8. Wu J., Jia L., Zhang Y., Qu Y., Jia B., Moss D.J. Graphene oxide for integrated photonics and flat optics // Advanced Materials. 20202006415. https://doi.org/10.1002/adma.202006415
9. Ильин М.Е., Каманина Н.В. Оптическое пропускание пленок стандартного и восстановленного оксида графена при обработке эрбиевым лазером с варьированием плотностей энергии // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2024. Т. 17. № 8. С. 5–12. https://doi.org/10.32603/2071-8985-2024-17-8-5-12
Ilin M.E., Kamanina N.V. Optical transmittance of standard and reduced graphene oxide films under Erbium laser treatment with varying energy densities // LETI Transactions on Electrical Engineering & Computer Science. 2024. V. 17. № 8. P. 5–12. https://doi.org/10.32603/2071-8985-2024-17-8-5-12

10. Ильин М.Е., Тойкка А.С., Каманина Н.В. Вариация свободных поверхностных энергий пленок термически восстановленного оксида графена, полученных на подложках оксида индия и олова // Прикладная физика. 2025. № 3. C. 60–65. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2025-3-60-65
Ilin M.E., Toikka A.S., Kamanina N.V. Variation of free surface energies in thermally reduced graphene oxide films deposited on indium tin oxide substrates // Applied Physics. 2025. № 3. P. 60–65. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2025-3-60-65
11. Wu S., Efron U. Optical properties of thin nematic liquid crystal cells // Applied Physics Letters. 1986. V. 48(10). P. 624–626. https://doi.org/10.1063/1.96724
12. Hong C.-H., Shin J.-H., Ju B.-K., Kim K.-H., Park N.-M., Kim B.-S., Cheong W.-S. Index-matched indium tin oxide electrodes for capacitive touch screen panel applications // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2013. V. 13(11). P. 7756–7759. https://doi.org/10.1166/jnn.2013.7814
13. Optical properties of graphene oxide and reduced graphene oxide determined by spectroscopic ellipsometry / S. Schöche, N. Hong, M. Khorasaninejad, A. Ambrosio, E. Orabona, P. Maddalena, F. Capasso // App. Surface Sci. 2017. V. 421. P. 778–782. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017. 01.035
14. Jung I., Vaupel M., Pelton M., Piner R. et. al. Characterization of thermally reduced graphene oxide by imaging Ellipsometry // The Journal of Physical Chemistry C. 2008. V. 112(23). P. 8499–8506. https://doi.org/10.1021/jp802173m
15. Gangwar P., Singh S., Khare N. Study of optical properties of graphene oxide and its derivatives using spectroscopic ellipsometry // Applied Physics A. 2018. V. 124(9). https://doi.org/10.1007/s00339-018-1999-1
16. Shen Y., Zhou P., Sun Q.Q., Wan L., Li J., Chen L.Y.,Wang X.B. Optical investigation of reduced graphene oxide by spectroscopic ellipsometry and the band-gap tuning // Applied Physics Letters. 2011. V. 99(14). P. 141911. https://doi.org/10.1063/1.3646908
17. Ghosh M., Pradipkanti L., Rai V., Satapathy D.K., Vayalamkuzhi P., Jaiswal M. Confined water layers in graphene oxide probed with spectroscopic ellipsometry // Applied Physics Letters. 2015. V. 106(24). P. 241902. https://doi.org/10.1063/1.4922731
18. Fujiwara H. Spectroscopic ellipsometry: Principles and applications. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2007. 392 p.
19. Sun L. Structure and synthesis of graphene oxide // Chinese Journal of Chemical Engineering. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2019.05.003
20. Yuhong Cao, Ertao Hu, Jie Xing, Li Liu, Tong Gu, Jiajin Zheng, Kehan Yu, Wei Wei. Optical constants of restored and etched reduced graphene oxide: a spectroscopic ellipsometry study // Opt. Mater. Express. 2019. V. 9. P. 234–243. https://doi.org/10.1364/OME.9.000234
21. Politano G.G., Versace C. Variable-angle spectroscopic ellipsometry of graphene-based films // Coatings. 2021. V. 11. P. 462. https://doi.org/10.3390/coatings11040462