橢圓偏振光譜儀(SE)，簡稱橢偏儀以其非破壞性和非接觸性、高精度和高靈敏度、原位測量能力以及廣泛的適用性等技術優(yōu)勢,在材料科學、半導體物理、微電子學等領域發(fā)揮著重要作用。

橢偏儀精確測量薄膜的厚度、光學帶隙、折射率、消光系數(shù)、薄膜組成、界面和表面粗糙度等特征，對于理解薄膜的光學性能、電學性能以及機械性能至關重要。費曼儀器作為國內領先的薄膜材料檢測解決方案提供商，其自研的Flexfilm全光譜橢偏儀可以對這些參數(shù)進行快速、精準測量。本文綜述了近年來基于橢圓偏振光譜技術在半導體材料、聚合物材料以及生物傳感材料領域的應用進展。

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橢圓偏振光譜法原理

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橢圓偏振光譜法示意圖

橢圓偏振光譜系統(tǒng)主要由光源、起偏器、檢偏器、補償器、探測器和樣品臺組成。光源（如氙燈、激光）提供穩(wěn)定光束。起偏器產(chǎn)生偏振光，檢偏器分析樣品反射/透射后偏振態(tài)變化。補償器用于精確調控光波相位差。探測器（如硅光電池、光電倍增管）記錄偏振態(tài)、強度等光學信號。樣品臺確保測量穩(wěn)定性。

線偏振光在薄膜界面反射時，振幅和相位發(fā)生變化，其變化量與薄膜光學性質、厚度、粗糙度等相關。橢偏儀通過測量正交偏振分量強度比，獲得振幅比和相移信息，幾乎不受光源不穩(wěn)定性和環(huán)境雜散光影響，無需參考即可進行絕對測量。結合物理模型與數(shù)據(jù)擬合，這些信息可轉化為薄膜厚度、復折射率、介電函數(shù)、各向異性、粗糙度、量子限制效應等物理量。

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【半導體材料】領域應用

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半導體材料（如SiC、GaN、Ga?O?、AlN等）在功率電子、光電器件中需求激增，薄膜厚度 / 光學常數(shù)的精確測量直接影響器件性能。橢偏儀憑借非破壞性、高精度優(yōu)勢，成為監(jiān)控能帶結構、氧化過程的關鍵工具。

應用1：帶隙能量調控

原理：通過橢偏儀測量折射率變化，關聯(lián)材料能帶結構，優(yōu)化帶隙以適應光電/光伏器件需求。

實例：Liu等發(fā)現(xiàn)Ni摻雜使Cu???Ni?O薄膜帶隙從2.16 eV增至2.35 eV，提升晶體管性能。

應用2：氧化層驗證

原理：橢偏儀檢測氧化層光學常數(shù)（折射率、消光系數(shù)）差異，確認金屬完全氧化。

實例：Pearl等測得AlInN氧化層折射率（1.77–1.83）顯著低于原材料，消光系數(shù)0.01–0.12，證實完全轉化。

應用3：各向異性量化

光譜橢偏儀SE測量的CdIn2Te4的（a）實部介電函數(shù)ε?和（b）虛部介電函數(shù)ε?光譜

原理：穆勒矩陣SE分析空間色散引起的介電常數(shù)各向異性。

實例：Bian等量化(110)/(100)硅晶片的空間色散各向異性，確定完整介電常數(shù)系數(shù)。

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【聚合物材料】領域應用

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聚合物薄膜在有機電子器件（如太陽能電池、發(fā)光二極管）中作為活性層、保護層或抗靜電層，其光學特性、玻璃化轉變溫度（Tg）及溶脹行為直接影響器件性能。橢圓偏振法在紫外-可見光譜范圍（UV-VIS）提供原位、非破壞性監(jiān)測能力，不僅用于高精度厚度測量，還可解析玻璃化轉變、溶脹動力學、分層效應等復雜動態(tài)過程。

應用1：溶脹動力學分析

（a）通過光譜橢偏儀測得的不同溶劑蒸汽中 PS（圓形）和 P4VP（星形）薄膜的最大膨脹比率 Qmax。（b）Qmax(P4VP) 對 Qmax(PS) 圖，顯示醇類在 P4VP 選擇區(qū)域中的位置

原理：橢偏儀實時測量薄膜厚度變化，量化溶劑蒸氣中的膨脹率。

實例：Kumar等發(fā)現(xiàn)P4VP薄膜在乙醇中溶脹率達50倍，而PS在甲苯中更顯著，揭示嵌段共聚物的溶劑選擇性。

應用2：分層相變檢測

原理：橢偏儀提取厚度-溫度曲線斜率突變，識別多層結構的玻璃化轉變。

實例：Pradipkanti等通過斜率不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)老化PS薄膜存在兩個Tg（對應玻璃態(tài)/混合態(tài)/橡膠態(tài)）。

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【生物傳感材料】領域應用

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傳統(tǒng)醫(yī)學檢測方法耗時長、成本高且依賴專業(yè)操作。生物傳感器因其快速檢測、結構緊湊和低成本優(yōu)勢成為理想替代方案，而適配體（DNA/RNA或短肽鏈）憑借對pH/溫度的高穩(wěn)定性，優(yōu)于傳統(tǒng)抗體實現(xiàn)靶標分子在傳感表面的固定。橢偏儀通過實時監(jiān)測薄膜表面光學參數(shù)（振幅比/相位差）變化，直接計算吸附目標的質量密度，為無標記原位研究生物分子相互作用提供高效平臺。

應用1：蛋白質結合實時監(jiān)測

光譜橢偏儀測量的橢偏參數(shù) ψ(λ) 和 ?(λ)。裸 ZnO 薄膜（黑色曲線）、 Aptamer 功能化層在 ZnO 表面（紅色曲線）以及固定在 ZnO 表面的 Spike 蛋白質層（綠色曲線）

原理：橢偏儀通過振幅比/相位差變化計算表面質量密度，追蹤生物分子吸附過程。

實例：Alshammari等檢測SARS-CoV-2刺突蛋白結合：20分鐘達穩(wěn)定，表面密度隨濃度遞增，檢測限1 nmol/L。

應用2：生物界面穩(wěn)定性評估

原理：橢偏儀測量功能化氧化物層厚度及光學常數(shù)，評估其對生物分子的保護作用。

實例：Macullis等通過多孔氧化鋁厚度分析，量化人血清白蛋白吸附穩(wěn)定性及清洗影響。

橢圓偏振光譜法測量快速、準確、無損，在材料領域具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。隨著科學技術的不斷發(fā)展，橢圓偏振光譜技術的測量精度和測試性能將不斷提高，其在材料研究和應用中的作用也將發(fā)揮更大的作用。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量薄膜厚度、折射率、消光系數(shù)、光學帶隙等參數(shù)，適用于各類材料及界面。費曼儀器依托自主研發(fā)的尖端設備為半導體材料、聚合物材料以及生物傳感材料領域提供精準測量解決方案。

原文參考：《橢圓偏振光譜在材料領域的應用進展》

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