近年来，随着材料科学的快速发展，薄膜制备技术及表界面研究逐渐成为研究热点。纳米加工技术的不断成熟，使得器件性能要求持续提高，相应地，各类微纳表征技术也得到了快速发展。SEM、AFM及TEM等方法虽具备高空间分辨率与良好的可视化能力，但普遍存在对样品造成不可逆损伤的问题，且难以实现原位检测。相比之下，椭圆偏振光谱（Spectroscopic Ellipsometry, SE）作为一种非破坏性、非接触、高精度、高灵敏度的光学检测技术，能够快速、准确地获取材料信息，在材料科学、半导体物理、微电子等领域得到广泛应用。

本文围绕近年来椭圆偏振光谱技术在材料领域的研究进展进行综述，重点介绍其在半导体材料、聚合物薄膜及生物传感材料中的典型应用。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。

椭圆偏振光谱仪原理

椭圆偏振光谱法示意图

椭圆偏振光谱作为一种非接触、非侵入、非破坏的光学分析方法，能够快速、准确地表征材料特性，在多个领域得到广泛应用。该技术可获取薄膜厚度、折射率、消光系数、光学带隙、组成、界面状态及表面粗糙度等关键信息，对于理解材料的光学、电学及力学性能具有重要意义。同时，其适用范围涵盖半导体薄膜、电介质薄膜、聚合物薄膜、有机薄膜及金属薄膜，并可扩展至固-液或液-液界面的研究。

椭圆偏振光谱仪主要由光源、起偏器、检偏器、补偿器、探测器及样品台组成。光源通常采用氙灯、激光或汞氙灯，为系统提供稳定光束；起偏器用于产生线偏振光；检偏器用于分析出射光的偏振状态；补偿器通过引入相位延迟实现偏振态调制；探测器负责信号采集；样品台用于固定样品并保证测量稳定性。

在测量过程中，入射线偏振光经样品反射或透射后，其偏振态（包括振幅与相位）发生变化。椭偏法通过测量两个正交偏振分量之间的振幅比和相位差，对偏振变化进行定量描述。与传统强度测量方法相比，该方法对光源波动及环境干扰不敏感，且无需参考样品即可实现绝对测量。通过结合光学模型与数据拟合，可进一步反演得到薄膜厚度、复折射率或介电函数、粗糙度、各向异性及缺陷等结构与性能参数。

椭偏仪应用：半导体材料

随着人工智能、物联网及新能源技术的发展，半导体材料呈现出快速迭代趋势。第三代（SiC、GaN）及第四代（Ga₂O₃、AlN）半导体因其优异的电学性能和热稳定性，被广泛应用于功率器件和射频领域。

在半导体制造过程中，椭偏技术主要用于：单层及多层薄膜厚度测量、光学常数提取、能带结构分析。

通过对折射率和介电函数的精确测量，可进一步推断材料的能带结构及缺陷状态，从而优化器件设计。特别是在带隙工程中，椭偏法可实现带隙调控过程的定量分析。

光谱椭偏仪SE测量的CdIn2Te4的（a）实部介电函数 ε₁ 和（b）虚部介电函数 ε₂ 光谱

典型研究包括：

Bi掺杂对(Ga,Mn)As电子结构影响的分析

Ni掺杂CuO薄膜带隙从2.16 eV调节至2.35 eV

CdIn₂Te₄能带结构的光学表征

硅晶体空间色散引起的各向异性研究

此外，在金属氧化研究中，椭偏法可用于：氧化层厚度与光学常数测量、早期氧化动力学分析。例如，通过对AlInN氧化前后的光学参数变化进行建模，可验证其完全氧化行为，并获取折射率与消光系数变化，从而支撑器件集成研究。

椭偏仪应用：聚合物薄膜材料

聚合物薄膜在包装、有机电子器件（OLED、太阳能电池）等领域具有广泛应用。其在器件中常作为：活性层、保护层、抗静电层。

椭偏技术在聚合物体系中的应用不仅限于厚度测量，还包括：玻璃化转变（Tg）分析、溶胀与膨胀行为研究、热光学性质表征、扩散及降解过程分析。

其中，温度依赖椭偏技术在Tg测量中具有独特优势，可用于研究纳米尺度约束效应对聚合物相变行为的影响。

（a）通过光谱椭偏仪测得的不同溶剂蒸汽中 PS（圆形）和 P4VP（星形）薄膜的最大膨胀比率 Qmax。（b）Qmax(P4VP) 对 Qmax(PS) 图，显示醇类在 P4VP 选择区域中的位置

典型研究表明：

薄膜厚度对Tg具有显著影响（尺寸效应）

椭偏参数与膜厚呈近似线性关系

不同溶剂对聚合物溶胀行为具有选择性

例如，在聚苯乙烯/聚(4-乙烯基吡啶)体系中：

乙醇蒸气中溶胀较弱

甲苯中聚苯乙烯溶胀更明显

氯仿中两者均发生显著膨胀

此外，通过温度依赖的椭偏参数分析，还可识别多层结构中的不同玻璃化转变行为，并提取热膨胀系数，从而揭示薄膜内部的分层结构。

椭偏仪应用：生物传感材料

传统生物检测方法（如PCR、质谱）存在检测周期长、成本高等问题，而生物传感器因其快速、低成本和便携性，成为重要发展方向。

椭圆偏振光谱在生物传感中的核心作用在于：

实时监测表面吸附过程

定量分析表面质量密度变化

研究蛋白质/分子结合动力学

其原理基于：当目标分子吸附在传感表面时，引起薄膜光学性质变化（Ψ、Δ变化），进而实现高灵敏检测。

光谱椭偏仪测量的椭偏参数 ψ(λ) 和 ∆(λ)

典型应用包括：

ZnO表面适配体功能化及稳定性分析

SARS-CoV-2刺突蛋白结合动力学研究

检测限可达1 nmol/L，且具备良好线性响应

此外，在多孔阳极氧化铝体系中，椭偏技术可用于：

薄膜厚度建模

蛋白吸附行为分析

表面相互作用强度评估

这些研究表明，椭偏光谱在生物界面分析和传感器开发中具有重要应用潜力。

椭圆偏振光谱技术以其快速、准确、无损的特点，在材料科学领域展现出广泛应用前景。随着技术的发展，其测量精度和功能不断提升，在材料研究中的作用将进一步增强。同时，椭偏技术正逐步与多种表征方法实现联用，如原子力显微镜、拉曼光谱、表面等离子共振及石英晶体微天平等。这种多技术融合将有助于提升测量精度与数据可靠性，并进一步拓展其在复杂材料体系中的应用范围。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

Flexfilm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：《椭圆偏振光谱在材料领域的应用进展》