多層膜的案例
領先的光子學仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：分析多層膜的優秀仿真工具
STACK是分析多層膜的最佳仿真工具，和求解麥克斯韋方程相比能迅速仿真如抗反射膜、OLED、VCSEL等組件的光學特性。能精準描述多層膜的波動光學特性，如干涉以及微腔效應，并支持平面波和偶極子光源。STACK支持腳本運算，通過API能和Python或Matlab互操作。
規格概要
· 支持平面波和偶極子
· 支持大面積多層膜設計
· 考慮微腔和干涉效應
STACK的主要應用
· OLED
· VCSEL
· 抗反射膜
．微腔
· 多層薄膜
主要特點
STACK分析求解器
STACK求解器比直接仿真Maxwell方程的速度更快。它適用千薄膜應用的快速原型設計，并且可使用平面波和偶極 子光源照明。求解器考慮干涉和微腔效應。
通過腳本進行互操作
通過Lumerical腳本語言、自動化API以及Python和 MATLABAPI實現互操作性。
Ansys光學軟件產品推薦
ZEMAX
Ansys Zemax是一套綜合性的光學設計軟件，它提供先進的、且符合工業標準的分析、優化、公差分析功能，能夠快速準確的完成光學成像及照明設計。
SPEOS
Speos是Ansys公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空, 航天, 軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。
展開 《Science Advances》通過多層膜陶瓷提高MAX相材料輻照穩定性！
目前一種被證明可用于制備抗輻照金屬材料的策略是制備金屬多層膜，因為這會產生高密度的界面，而界面可以吸收材料缺陷，導致輻照損傷的恢復和復合。此外，這些界面還可以通過設計提高材料的強度、韌性和抗氧化性，從而對材料性能發揮重要作用。
現在，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家們將類似的策略應用于一類基于 MAX 相材料、SiC和TiC的抗輻照陶瓷多層膜材料，他們仔細研究了這種多層陶瓷在各個界面上發生的過程，借此提出了增強該材料輻照穩定性的方法。這項工作為創造新型層狀陶瓷打開了大門，這類陶瓷多層膜材料可用作核反應堆的結構和涂層材料等強輻照環境之中。該研究以Enhancing the phase stability of ceramics under radiation via multilayer engineering為題發表在2021年6月的《Science Advances》雜志上。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/7/26/eabg7678
“陶瓷通常具有良好的耐腐蝕性和高溫穩定性，因此它們在核應用中可以發揮特殊作用，”威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程教授 Izabela Szlufarska 說。“多層膜的方法在金屬系統中是成功的。但是陶瓷的行為與金屬截然不同。問題之一是界面是否對陶瓷有益，因為這些材料中的缺陷行為更為復雜。此外，陶瓷通常由彼此截然不同的元素組成，這些元素中的每一個都可能與界面發生不同的相互作用，從而導致對輻照的復雜反應。”
展開 PRL:：PbTiO3/SrTiO3多層膜中不同偶極構型的拓撲缺陷研究
【成果簡介】
西安交通大學賈春林和美國阿肯色大學Laurent Bellaiche等人報道了PTO/STO外延多層膜中電偶極子獨特構型的拓撲缺陷。他們通過定量高分辨率掃描透射電子顯微學技術，基于原子分辨率高角度環形暗場（HAADF）圖像確定了原子位置，從而在多層PbTiO3/SrTiO3膜的PbTiO3層中揭示了納米電拓撲缺陷的新穎結構，包括電偶極子波，偶極子向錯和其他電拓撲缺陷。這些拓撲缺陷結構也通過原子尺度數值模擬來重現，證實并解釋了這些電拓撲缺陷的存在和性質。該研究發表于Physical Review Letters，題為“Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO3/SrTiO3 Multilayer Films”，第一作者為西安交通大學路璐。
【圖文導讀】
圖1.HAADF圖像與晶胞偶極子的矢量圖
（a）STO基底上超晶格膜的[100] HAADF圖像。插圖顯示了界面的放大部分和原子細節。
（b）由（a）中顯示的圖像確定的晶胞偶極子的矢量圖，揭示了具有明顯模量值的偶極子出現在PTO層（黃色區域）中。藍色半圓表示偶極子的相似排列構型。紅色框標記具有特殊偶極子排列構型的位置，這些構型被放大并示于圖2和圖3中。
圖2. A/B局域放大圖與數值模擬
（a）圖1（b）中A部分的放大圖，示出了具有雙曲線形狀（粉紅-綠色區域）的極化域和具有特征為外流漩渦（紅色彎曲箭頭）的偶極子渦流。紅色的橢圓表示一個閉合小渦流，其中面內偶極矩相對較小。（b）圖1（b）中B部分的放大圖，展示出PTO膜層中的偶極子波的細節。藍色的小圓圈表示與偶極子波相關的氣泡。（c）PTO薄膜在-0.6％壓縮應變下，數值模擬平衡偶極子波顯示出與（b）中實驗觀察的一致性。
圖3.
展開 從紅外顯微鏡看聚合物薄膜的化學構成
對于多層膜樣品，會收集每層膜的紅外譜圖，相比紅外圖像和線掃描而言，這種方法會有更高的信噪比和更少的分析時間。
圖5：自動檢測多層膜中每層膜的結構
圖5 顯示了一個5 層膜結構的樣品。檢測多層膜后，會自動掃描記號點位置上對應的紅外譜圖（圖6所示）。
圖6：聚合物多層膜1-5 層的紅外譜圖（從上到下）
通過譜圖庫自動檢索可以看出每層結構分別為PET（第一層和第五層）、EVA 共聚物（第二層和第四層）、硅偶聯聚乙烯（第三層）。
聚合物多層膜的ATR分析
ATR 是一種快速而簡單測試材料紅外光譜的方法。紅外顯微鏡上的ATR 可以測試幾個μm 大小樣品的紅外譜圖。顯微ATR 附件已經用來檢測食品包裝多層膜的結構了。相比透射測試，ATR能夠在更高的空間分辨率下得到紅外譜圖。對于顯微ATR 測試，需要對樣品進行樹脂包埋，然后切出一個光滑而平坦的表面。相比簡單的夾具固定樣品，樹脂包埋樣品可以防止在ATR 的壓力下樣品的變形。使用Spotlight200i 紅外顯微鏡，顯微ATR 附件對一個傳統聚合物制成的多層食品包裝膜進行測試。
圖7：多層食品包裝膜的可見圖像
圖7 顯示了此樣品的可見圖像，此多層膜的寬度大約為200μm，由多種聚合物層所構成。顯微ATR 的晶體固定在可接觸整個樣品范圍的位置，使用5μm*5μm 的光斑，步進5μm 對多層膜進行線掃描，結果如圖8所示。
展開 
河工大《Scripta Mater》：無序界面阻礙位錯運動，顯著提高材料硬度！
近日，河北工業大學鄭士建教授團隊以Cu/Nb多層膜作為模型材料，通過在界面處引入超薄的非晶層設計了一種無序界面。和Cu/Nb多層膜中無非晶層有序界面相比，這種無序界面可以通過弛豫界面位錯的面內分量和面外分量來阻礙位錯的運動，進而顯著提高材料的硬度。相關研究成果以題“Hardening induced by dislocation core spreading at disordered interfacein Cu/Nb multilayers”發表在Scripta Materialia上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113917
在這項工作中，通過磁控濺射法制備了兩種單層層厚10nm的Cu/Nb多層膜，其中樣品1中Cu層和Nb層交替生長，樣品2中除Cu層和Nb層交替生長外，還在界面處沉積了名義厚度0.5 nm的非晶層。圖1是樣品1和樣品2的TEM形貌像和對應的高分辨像。從圖中我們可以看出樣品1和樣品2具有相同的取向關系，晶粒尺寸以及層厚。但是，樣品1具有有序界面，樣品2具有無序界面。如圖2所示，通過對重復制備的3組樣品進行納米壓痕硬度測試，發現樣品1的硬度分別為5.53±0.47 GPa、5.69±0.26 GPa和5.61±0.38 GPa，樣品2的硬度分別為6.25±0.16 GPa、6.62±0.31 GPa和6.30±0.21 GPa。和樣品1相比，樣品2硬度提升11%。既然樣品2的取向關系、晶粒尺寸以及層厚均和樣品1相同，那么樣品2中的硬化應該與界面的硬化能力有關。
展開 多模式硬X射線顯微成像：超高分辨率（近10 納米）和其在材料科學研究中的應用
【成果簡介】
近日，美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II（NSLS-II）的嚴函斐博士（第一作者，通訊作者）及同事，康涅狄格大學Wilson Chiu教授以及克萊門大學Kyle Brinkman教授合作，報道了利用一種特殊的多層膜勞埃鏡（MLL）聚焦硬X射線接近衍射極限，并用不同的方法確認了近10納米的掃描成像分辨率。采用重疊關聯衍射成像中的迭代相位恢復算法（ptychography），分辨率可以進一步提高到10納米以下。利用納米小光斑和光柵掃描，這個小組研究了一種離子電子混合導電膜（廣泛應用于燃料電池和氣體分離技術）并得到了這種材料的在極高分辨率上的熒光，吸收，微分相位和相位圖。前者給出元素分布，后三者給出電子密度，結構和形貌分布。在納米尺度上，觀察到了一個新生成的材料相。這是硬X射線掃描顯微學在近10納米分辨率上的第一個科學應用，并宣告進入10納米時代。相關成果以題為“Multimodal hard x-ray imaging with resolution approaching 10nm for studies in material science” 發表于IOP頂級期刊Nano Futures上。
【圖文導圖】
圖1 硬X位于美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II的硬X射線掃描站（HXN）示意圖
NSLS-II是美國近年建造的第三代同步輻射光源，以提供高空間分辨率和高能量分辨率的巨大需求。其中HXN提供世界領先的空間分辨能力。整個束線可以認為是一個120米長的超級X射線掃描顯微鏡。X射線被多層膜勞埃鏡聚焦到一個納米小光斑后照射到樣品上，做二維光柵掃描和旋轉（斷層成像）。環繞樣品的多類型探測儀可同時采集熒光，布拉格衍射和透射信號以達到多模式成像（元素分布，化學價態，結構，形貌和晶體應變變化等等）。
展開 業界領先的光子學仿真工具 | 《Ansys Lumerical產品解決方案》現已開放領取
Ansys Lumerical包含以下模塊：
· FDTD--微納光子器件仿真的標準工具
· Stack--分析多層膜的最佳仿真工具
· RCWA--分析平面波入射到周期性結構上的光學響應
· MODE--基于光波導設計環境的專業仿真和綜合分析工具
· Charge--對有源光子和光電半導體器件中的電荷傳輸提供正確的工具進行綜合全面的仿真
· Heat--提供綜合全面的熱仿真功能
· DGTD--解決最具挑戰性的納米光子模擬
· FEEM--對復雜幾何形狀和材料中的波導模式，等效折射率，電場分布等進行高精度分析
· MQW--準確模擬帶結構、增益、以及多量子阱結構的自發輻射特性
· Interconnect--光子集成電路仿真器，可驗證多模、雙向和多通道PIC
· CML Compiler--高效、自動化地創建緊湊模型庫
· 拓展應用
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展開 JCMsuite案例展示：衰減相移掩膜的仿真分析
掩模的布局是由一個描述襯底吸收層和上層的多層膜組成的。兩個平行四邊形用于定義包括移相器的開口。
掩模是在正入射的S和P偏振情況下模擬的。對于入射方向的定義，使用光瞳面的典型西格瑪坐標:
由于這個例子是所謂的一維掩模(線/空間模式)，在xy平面中有一個2D仿真域。在源文件中設置3DTo2D = yes標簽，以執行用戶自定義傳入方向的自動轉換。啟用此標記后，就可以描述傳入區域，就好像光軸與Z軸重合一樣。這允許統一設置2D和3D的掩模模擬項目。由于光線從基板下方進入，光線的傳輸方向為+Z方向。
相位分布如下圖所示:
相移區域的影響清晰可見，導致開口上方光束的180度相位差。同時光場的S和P分量也顯示出相位差:
在項目文件中，設置傅里葉變換后處理，得到掩模的透射衍射階數:
展開 Ansys Lumerical光子學仿真工具介紹
Ansys Lumerical Stack
STACK 是分析多層膜的最佳仿真工具，和求解麥克斯韋方程相比能迅速仿真如抗反射膜、OLED、VCSEL等組件的光學特性。能精準描述多層膜的波動光學特性，如干涉以及微腔效應，并支持平面波和偶極子光源。STACK 支持腳本運算，通過API能和Python 或Matlab 互操作。
Ansys Lumerical RCWA
Ansys Lumerical RCWA 求解器可用于分析平面波入射到周期性結構上的光學響應。與 STACK 求解器不同，RCWA求解器可用于幾何形狀具有周期性變化的結構，例如光子晶體和衍射光柵。由于仿真時間通常比FDTD短得多，RCWA求解器是分析周期性結構的理想工具。
Ansys Lumerical MODE
MODE 是一款基于光波導設計環境的專業仿真和綜合分析工具。該軟件包含雙向傳輸的 EME 算法和變分VarFDTD 以及FDE有限差分本征模算法，可以方便地設計仿真大型平面波導結構和長距離傳輸器件，以獲得準確的空間場、頻散特性和重疊積分分析等。
MODE支持 Lumerical多物理場仿真，和 CHARGE和HEAT的聯用讓 MODE能夠處理集成光學中的光、電和熱效應。其設計環境也提供腳本化功能、支持后處理和優化程序，讓用戶可以更有效地實現復雜 器件的設計要求。
展開 JCMsuite：旋轉對稱發射器
幾何形狀為非理想微柱結構：
單光子柱發射器（旋轉對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創建的（見下文）。
參數掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產生以下曲線，顯示了該設備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 斜柱
參考文獻
[1]N. Gregersen, T. R. Nielsen, et al., Quality factors of nonideal micro pillars, APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 011116 (2007)
展開 JCMsuite案例展示：衰減相移掩膜的仿真分析
JCMsuite案例展示
衰減相移掩膜的仿真分析
在本示例中，模擬了衰減相移掩模。 該掩模將線/空間圖案成像到光刻膠中。 掩模的單元格如下圖所示：
掩模的基板被具有兩個開口的吸收材料所覆蓋。在其中一個開口的下方，位于相移區域。
掩模的布局是由一個描述襯底吸收層和上層的多層膜組成的。兩個平行四邊形用于定義包括移相器的開口。
掩模是在正入射的S和P偏振情況下模擬的。對于入射方向的定義，使用光瞳面的典型西格瑪坐標:
由于這個例子是所謂的一維掩模(線/空間模式)，在xy平面中有一個2D仿真域。在源文件中設置3DTo2D = yes標簽，以執行用戶自定義傳入方向的自動轉換。啟用此標記后，就可以描述傳入區域，就好像光軸與Z軸重合一樣。這允許統一設置2D和3D的掩模模擬項目。由于光線從基板下方進入，光線的傳輸方向為+Z方向。
相位分布如下圖所示:
相移區域的影響清晰可見，導致開口上方光束的180度相位差。同時光場的S和P分量也顯示出相位差:
在項目文件中，設置傅里葉變換后處理，得到掩模的透射衍射階數:
展開 
JCMsuite：旋轉對稱發射器
幾何形狀為非理想微柱結構：
單光子柱發射器（旋轉對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創建的（見下文）。
參數掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產生以下曲線，顯示了該設備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 斜柱
展開 Jcmsuite：旋轉對稱發射器
幾何形狀為非理想微柱結構：
單光子柱發射器（旋轉對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創建的（見下文）。
參數掃描
Matlab®腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產生以下曲線，顯示了該設備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質中）, 斜柱
展開 AR/VR 顯示畫質失真？OAS百葉窗波導案例破難題
具體參數設置如下：
入射光源選用波長為 532nm 的單色光源，該波長在光學顯示與光通信領域應用廣泛；棱鏡采用特定角度和折射率設計，以確保光束能夠高效耦合進入波導板；波導板選用光學性能優良的材料，其厚度、折射率等參數依據實際應用需求進行精確設定；鍍膜葉片采用多層膜系結構，通過優化膜系材料與厚度參數，實現對光線的特定分束效果。同時，對鍍膜葉片的排列方式、間距等幾何參數進行精細設計，以調控光在波導板內的分束傳播路徑。
仿真過程
在 OAS 光學軟件中完成百葉窗波導系統的建模與參數設置后，啟動仿真計算。仿真過程嚴格遵循光的傳播理論，精確模擬光束在各光學元件中的傳輸行為。
通過仿真，得到了光束在波導板內的傳輸路徑、光強分布以及通過鍍膜葉片分束后的光場特性。
（百葉窗波導的實體模型圖）
（百葉窗的三維追跡圖）
（百葉窗的探測器結果圖）
總結
本案例借助 OAS 光學軟件成功實現了對百葉窗波導系統的高精度仿真與深入分析，清晰呈現了光束在波導板內的傳輸與分束過程，驗證了 OAS 軟件在研究復雜光學結構方面的有效性與可靠性。通過仿真結果分析，為百葉窗波導的優化設計提供了具體的改進方向。
展開 OpTaliX 鬼像分析
它包含在光學表面，因材料吸收及漸暈中的多層膜波長的相關影響而產生。下圖呈現的是在透鏡中包含AR材料和吸收10片式鏡頭元件目標所呈現的鬼像。
鬼像分析是基于內置的逆光線追跡算法，它不需要重建光學系統，只要插入和復制表面，就可以表示鬼像路徑。它允許瞬時鬼像分析，也可以用非常快速的方法去確定最大干擾的表面組合。
鬼像是由于光學系統對表面間進行分析，形成了意想不到的圖像。透鏡表面具有的反射光強度取決于應用于這些表面的玻璃折射率本身的增透膜類型。透鏡內表面的光反射將被再次反射，可能形成靠近成像表面的圖像。這樣虛擬的圖像被稱為鬼像。
表面可能的組合數有助于n（n-1）/2的鬼像，其中n指在系統里透鏡表面的數值。表面數值增長，鬼像概率也隨之增長。具有10個鏡頭（20個表面）的變焦鏡頭可產生190個可能的鬼像。
不同于其他光學設計程序，OpTaliX不要求預選傳軸基礎和最大干擾的鬼面對（如果不是全部出錯這可能是極具誤導性的），不需要建立每個鬼面對的設計，也不需要編寫宏去存儲大量數據到文件中，或根據需要在其他軟件包顯示外部程序提供的數據。
OpTaliX完全可以避免和效率低下的工作。注意下圖呈現的是從零開始，約20 分鐘，1.7 GHz 的奔騰機，包含所有的表面組合體，AR材料和對吸收的影響。而在其他程序中你將需要幾小時或幾天去創建和測試宏和軟件的接口。
示例表明的是在一個徑向內元件的鬼線追跡，第一次的反射發生在表面三而第二次的反射發生在表面二。表面數值說明更多虛擬表面不需要模擬鬼路徑。由此可見，鬼像分析是瞬時的。
電話：13510388719
郵箱：market@union-optics.com
網址：www.union-optics.com
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