LiH(LiD,LiT)基软x射线多层膜的设计

刘 芸，林光会，赵 倩，雷洁红

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637009)

0 引 言

近年来，由于显微学、天文学、x射线光刻和惯性约束聚变等领域的需求，使得软x射线波段光学系统的应用不断的增长。例如：软x射线显微镜应用于水窗波段(2.3nm～4.4nm)可能观察到活的生物细胞[1-2]。软x波段的光学系统应用于天文学方面可以探测到宇宙的高能信息[1-2]。运用x光光刻能够将光刻分辨率提高一个量级[1-2]。软x射线多层膜色散元件是研究激光等离子体发射软x光谱理想的分光元件。x射线多层膜反射镜在各个领域的应用促进了多层膜反射镜技术的迅速发展和x光学的发展[1-3]。

在选定的基底上交替沉积两种材料膜层构成软x射线多层膜反射镜，这两种材料被称为间隔层和吸收层[1]。设计软x射线多层膜反射镜，首先要选择合适的间隔层/吸收层作为材料配对，然后设计膜层的厚度、周期数和两种材料的配比，最后使各个界面的反射光同相位，获得高反射率[1-3]。在不同波段，需要根据材料的光学常数选择该波段合适的材料对[4-6]。在软x射线多层膜全波段设计中，发现常用的材料配对的多层膜在大于20nm的波段，没有出现明显的特征反射峰[7-14]。本文中计算得到LiH(LiD、LiT)材料的吸收限波长为22.7nm，故LiH(LiD、LiT)为间隔层材料与吸收层材料配对的多层膜在22.7nm波长处可能存在特征反射峰，进而本文进行了LiH(LiD、LiT)基多层膜的设计。计算结果对寻找软x射线长波段的间隔层材料有重要的理论指导意义，在大于20nm的软x射线波段，从理论上设计出了具有较高反射率的多层膜系，为软x射线多层膜全波段设计提供了全面的理论依据。

1 计算结果

我们运用Livermore实验室提供的计算程序，采用入射角90°，多层膜周期数为201层进行计算，给出了22.7nm波长上的反射率设计结果。

1.1 LiH基多层膜设计结果

表1是以LiH为间隔层材料与几种吸收层材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配对优化计算后的结果。可以看出，配对中Al/LiH膜系的反射率为68.37%，为这组膜系中最高。

1.2 LiD基多层膜设计结果

表2是以LiD为间隔层材料与几种吸收层材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配对优化计算后的结果。可以看出，配对中Al/LiD膜系的反射率为79.70%，为这组膜系中最高。

表1 LiH基多层膜的反射率

表2 LiD基多层膜的反射率

表3 LiT基多层膜的反射率

1.3 LiT基多层膜设计结果

表3是以LiT为间隔层材料与几种吸收层材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配对优化计算后的结果。可以看出，配对中，Al/LiT膜系的反射率为70.44%，为这组膜系中最高。

从结果可知，多层膜在刚好高于间隔层材料的吸收限波长上能给出这些波长最佳的反射率结果[7]。从优化结果可以发现，当间隔层材料采用LiH(LiD、LiT)时，在大于20nm的波段(即22.7nm处)，多层膜出现了明显的特征反射峰，给出的最高反射率膜系分别是间隔层材料为LiH时的Al/LiH膜系，反射率为68.37%；间隔层材料为LiD时的Al/LiD膜系，反射率为79.70%；间隔层材料为LiT时的Al/LiT膜系，反射率为70.44%。从中可以看出在软x射线的长波段，铝具有良好的光学性能。但是铝的化学性能不稳定，因此实际制膜中难以得到应用。Mo在此波段也具有良好的光学特性，与LiH、LiD和LiT组成的多层膜都有较高的反射率，均大于50%。U作为吸收层材料，在此波段与LiH(LiD、LiT)间隔层材料配对的多层膜也具有较高的反射率(>60%)。

1.4 多层膜反射率与材料折射率的关系

研究发现，多层膜的反射率与间隔层和吸收层的折射率有关。我们对此进行了研究，首先计算间隔层和吸收层材料在特定波长处的折射率，表4分别列出了LiH(LiD、LiT)和几种吸收层材料在特定波长处的折射率。

然后仔细研究多层膜反射率与材料折射率的关系，发现多层膜的反射率与吸收层折射率(ns)和间隔层材料的折射率(na)的差值有关，见图1。从图中可以看出，同一波长，间隔层材料和吸收层材料的折射率相差越大，多层膜的反射率越高[7]，这种规律符合多层膜选材原则。

2 讨论与结果

通过采用LiH(LiD、LiT)为间隔层材料与Al等多种材料作为吸收层材料进行配对，计算了该系列膜层结构在22.7nm波长处的反射率。结果发现：间隔层材料为LiH(LiD、LiT)时，在大于20nm的波段(即22.7nm处)，多层膜出现了明显的特征反射峰，给出的最高反射率膜系分别是间隔层材料为Al/LiH膜系，反射率为68.37%；Al/LiD膜系，反射率为79.70%；Al/LiT膜系，反射率为70.44%。在软x射线长波段，LiH(LiD、LiT)基多层膜具有特征反射峰，在大于20nm波段，LiH、LiD和LiT材料是较为理想的间隔层材料。理论上设计出了具有较高反射率的多层膜系，为软x射线多层膜全波段设计提供了全面的理论依据。

表4几种吸收层材料在特定波长处(λ=22.7nm)的折射率

材 料折射率间隔层吸收层LiH0.979 309 9LiD0.991 328 5LiT0.988 534 6Al0.742 901 1Co0.940 932 3Cu0.936 996 0Hf0.889 176 8Mo0.792 211 1Ni0.928 891 3Pt0.924 479 7Ta0.856 071 2W0.857 368 2Zn0.978 351 6U0.768 602 0

参考文献：

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