橢圓偏振光譜儀(SE)，簡(jiǎn)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(cè)量能力以及廣泛的適用性等技術(shù)優(yōu)勢(shì),在材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理、微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

橢偏儀精確測(cè)量薄膜的厚度、光學(xué)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(duì)于理解薄膜的光學(xué)性能、電學(xué)性能以及機(jī)械性能至關(guān)重要。費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜材料檢測(cè)解決方案提供商，其自研的Flexfilm全光譜橢偏儀可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行快速、精準(zhǔn)測(cè)量。本文綜述了近年來(lái)基于橢圓偏振光譜技術(shù)在半導(dǎo)體材料、聚合物材料以及生物傳感材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)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(bǔ)償器、探測(cè)器和樣品臺(tái)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(bǔ)償器用于精確調(diào)控光波相位差。探測(cè)器（如硅光電池、光電倍增管）記錄偏振態(tài)、強(qiáng)度等光學(xué)信號(hào)。樣品臺(tái)確保測(cè)量穩(wěn)定性。

線偏振光在薄膜界面反射時(shí)，振幅和相位發(fā)生變化，其變化量與薄膜光學(xué)性質(zhì)、厚度、粗糙度等相關(guān)。橢偏儀通過(guò)測(cè)量正交偏振分量強(qiáng)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(wú)需參考即可進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。結(jié)合物理模型與數(shù)據(jù)擬合，這些信息可轉(zhuǎn)化為薄膜厚度、復(fù)折射率、介電函數(shù)、各向異性、粗糙度、量子限制效應(yīng)等物理量。

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【半導(dǎo)體材料】領(lǐng)域應(yīng)用

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半導(dǎo)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(xué)常數(shù)的精確測(cè)量直接影響器件性能。橢偏儀憑借非破壞性、高精度優(yōu)勢(shì)，成為監(jiān)控能帶結(jié)構(gòu)、氧化過(guò)程的關(guān)鍵工具。

應(yīng)用1：帶隙能量調(diào)控

原理：通過(guò)橢偏儀測(cè)量折射率變化，關(guān)聯(lián)材料能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化帶隙以適應(yīng)光電/光伏器件需求。

實(shí)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(yīng)用2：氧化層驗(yàn)證

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

實(shí)例：Pearl等測(cè)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(shí)完全轉(zhuǎn)化。

應(yīng)用3：各向異性量化

光譜橢偏儀SE測(cè)量的CdIn2Te4的（a）實(shí)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(shí)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(lǐng)域應(yīng)用

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聚合物薄膜在有機(jī)電子器件（如太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管）中作為活性層、保護(hù)層或抗靜電層，其光學(xué)特性、玻璃化轉(zhuǎn)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(jiàn)光譜范圍（UV-VIS）提供原位、非破壞性監(jiān)測(cè)能力，不僅用于高精度厚度測(cè)量，還可解析玻璃化轉(zhuǎn)變、溶脹動(dòng)力學(xué)、分層效應(yīng)等復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程。

應(yīng)用1：溶脹動(dòng)力學(xué)分析

（a）通過(guò)光譜橢偏儀測(cè)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(duì) Qmax(PS) 圖，顯示醇類在 P4VP 選擇區(qū)域中的位置

原理：橢偏儀實(shí)時(shí)測(cè)量薄膜厚度變化，量化溶劑蒸氣中的膨脹率。

實(shí)例：Kumar等發(fā)現(xiàn)P4VP薄膜在乙醇中溶脹率達(dá)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(yīng)用2：分層相變檢測(cè)

原理：橢偏儀提取厚度-溫度曲線斜率突變，識(shí)別多層結(jié)構(gòu)的玻璃化轉(zhuǎn)變。

實(shí)例：Pradipkanti等通過(guò)斜率不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)老化PS薄膜存在兩個(gè)Tg（對(duì)應(yīng)玻璃態(tài)/混合態(tài)/橡膠態(tài)）。

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【生物傳感材料】領(lǐng)域應(yīng)用

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傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高且依賴專業(yè)操作。生物傳感器因其快速檢測(cè)、結(jié)構(gòu)緊湊和低成本優(yōu)勢(shì)成為理想替代方案，而適配體（DNA/RNA或短肽鏈）憑借對(duì)pH/溫度的高穩(wěn)定性，優(yōu)于傳統(tǒng)抗體實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)分子在傳感表面的固定。橢偏儀通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜表面光學(xué)參數(shù)（振幅比/相位差）變化，直接計(jì)算吸附目標(biāo)的質(zhì)量密度，為無(wú)標(biāo)記原位研究生物分子相互作用提供高效平臺(tái)。

應(yīng)用1：蛋白質(zhì)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

光譜橢偏儀測(cè)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(zhì)層（綠色曲線）

原理：橢偏儀通過(guò)振幅比/相位差變化計(jì)算表面質(zhì)量密度，追蹤生物分子吸附過(guò)程。

實(shí)例：Alshammari等檢測(cè)SARS-CoV-2刺突蛋白結(jié)合：20分鐘達(dá)穩(wěn)定，表面密度隨濃度遞增，檢測(cè)限1 nmol/L。

應(yīng)用2：生物界面穩(wěn)定性評(píng)估

原理：橢偏儀測(cè)量功能化氧化物層厚度及光學(xué)常數(shù)，評(píng)估其對(duì)生物分子的保護(hù)作用。

實(shí)例：Macullis等通過(guò)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(cè)量快速、準(zhǔn)確、無(wú)損，在材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，橢圓偏振光譜技術(shù)的測(cè)量精度和測(cè)試性能將不斷提高，其在材料研究和應(yīng)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(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門(mén)用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)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(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

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

原文參考：《橢圓偏振光譜在材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展》

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