二维材料因其独特的电子与光学性质成为前沿研究热点。准确表征其光学响应，尤其是复介电函数，对理解其物理机制与器件应用至关重要。传统光学方法受限于信号强度与灵敏度，而光谱椭偏仪通过探测偏振态变化，能够实现超薄材料的高精度光学常数提取，已成为该领域不可或缺的工具。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文系统回顾了光谱椭偏仪在二维材料光学性质研究中的关键作用，涵盖石墨烯、过渡金属二硫化物及其有机薄膜等体系。SE凭借其高灵敏度与无损特性，可精确获取介电函数、激子共振、光学各向异性等重要参数，并揭示层间耦合、基底效应等物理现象。尽管存在模型依赖性与空间分辨率等局限，SE仍是二维材料光学表征的核心手段，未来结合人工智能与计算光子学有望进一步推动其发展。

方法与建模  

SE测量原理示意图，展示了偏振光在样品反射后的变化

用于SE分析的物理多层MLG/Ni结构（左）与多层光学模型（右）的映射关系

SE测量基于 Ψ 和 Δ 两个参数，通过建立分层光学模型并拟合实验数据，反演出材料的光学常数。常用模型包括：

三维平板模型：适用于具有明确厚度的薄膜；

二维片层模型：用于描述原子级薄层，避免厚度定义困难。

建模中需考虑表面粗糙度、各向异性及梯度折射率等实际因素，并选用合适的色散模型（如 Lorentz、Drude‑Lorentz、Tauc‑Lorentz 等）描述介电函数谱。近年来，机器学习方法为 SE 数据分析提供了新的高效途径。

重要研究成果  

石墨烯与金属基底的界面效应  

镍基底上多层石墨烯的光学电导率的实部（σ₁）

SE 研究发现，镍基底上多层石墨烯的π→π跃迁从4.6 eV红移至4.38 eV，揭示了界面电荷转移与能带杂化对光学性质的显著调控。

单层 TMDs 的激子物理  

单层二硫化钼（MoS₂）在300 K（上图）和68 K（下图）下的介电函数虚部（ϵ₂）

单层MoS₂、WS₂等材料在低温下表现出锐化的A、B激子峰，并可分裂为中性激子与带电激子。该分裂行为与合成方法密切相关，表明SE可用于评估材料质量与掺杂类型。

层数依赖的光学性质演变

单层（彩色线）与体材料（灰色线）TMDs（MoSe₂, WSe₂, MoS₂, WS₂）的介电函数虚部（ϵ₂）比较

从体材料到单层，TMDs中高能的C、D跃迁发生明显蓝移（150–300 meV），而A激子变化较小，反映了不同电子态对层间耦合的敏感程度差异。

多层 TMDs 的各向异性与双曲特性  

多层MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂的复介电函数的面内（粗线）与面外（细线）分量

多层TMDs在近红外波段具有高面内折射率（如MoTe₂达4.84 @1550 nm）和强双折射。某些金属性TMDs更展现出天然的双曲色散行为，为集成光子学与超构材料提供新平台。

有机薄膜的梯度与工艺依赖性  

有机薄膜的光学性质常呈现深度方向的折射率梯度，且受基底处理与沉积工艺影响显著，需采用梯度模型进行精确分析。

挑战与展望  

SE面临模型依赖性、空间分辨率限制、复杂样品表征等挑战。未来发展趋势包括：

发展原位、实时 SE 监测技术；

结合穆勒矩阵椭偏以解析更复杂的各向异性；

融合人工智能实现数据自动分析与模型优化；

构建二维材料光学数据库，助力计算辅助的光子器件设计。

光谱椭偏仪已成为揭示二维材料光学性质的关键实验手段，在激子物理、界面效应、各向异性与维度效应等研究中发挥不可替代的作用。随着方法学与交叉技术的进步，SE 将继续推动二维材料在光电子、纳米光子学等领域的深入发展与实际应用。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

费曼仪器全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）。

▶先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

▶粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

▶秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
▶原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETRY FOR TWO-DIMENSIONAL MATERIALS: METHODS, OPTICAL MODELING, AND EMERGING PHENOMENA》