椭圆偏振光谱仪：半导体、聚合物和生物传感器材料领域的应用综述

椭圆偏振光谱仪(SE)，简称椭偏仪以其非破坏性和非接触性、高精度和高灵敏度、原位测量能力以及广泛的适用性等技术优势,在材料科学、半导体物理、微电子学等领域发挥着重要作用。

椭偏仪精确测量薄膜的厚度、光学带隙、折射率、消光系数、薄膜组成、界面和表面粗糙度等特征，对于理解薄膜的光学性能、电学性能以及机械性能至关重要。费曼仪器作为国内领先的薄膜材料检测解决方案提供商，其自研的Flexfilm全光谱椭偏仪可以对这些参数进行快速、精准测量。本文综述了近年来基于椭圆偏振光谱技术在半导体材料、聚合物材料以及生物传感材料领域的应用进展。

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椭圆偏振光谱法原理

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椭圆偏振光谱法示意图

椭圆偏振光谱系统主要由光源、起偏器、检偏器、补偿器、探测器和样品台组成。光源（如氙灯、激光）提供稳定光束。起偏器产生偏振光，检偏器分析样品反射/透射后偏振态变化。补偿器用于精确调控光波相位差。探测器（如硅光电池、光电倍增管）记录偏振态、强度等光学信号。样品台确保测量稳定性。

线偏振光在薄膜界面反射时，振幅和相位发生变化，其变化量与薄膜光学性质、厚度、粗糙度等相关。椭偏仪通过测量正交偏振分量强度比，获得振幅比和相移信息，几乎不受光源不稳定性和环境杂散光影响，无需参考即可进行绝对测量。结合物理模型与数据拟合，这些信息可转化为薄膜厚度、复折射率、介电函数、各向异性、粗糙度、量子限制效应等物理量。

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【半导体材料】领域应用

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半导体材料（如SiC、GaN、Ga₂O₃、AlN等）在功率电子、光电器件中需求激增，薄膜厚度 / 光学常数的精确测量直接影响器件性能。椭偏仪凭借非破坏性、高精度优势，成为监控能带结构、氧化过程的关键工具。

应用1：带隙能量调控

原理：通过椭偏仪测量折射率变化，关联材料能带结构，优化带隙以适应光电/光伏器件需求。

实例：Liu等发现Ni掺杂使Cu₁₋ₓNiₓO薄膜带隙从2.16 eV增至2.35 eV，提升晶体管性能。

应用2：氧化层验证

原理：椭偏仪检测氧化层光学常数（折射率、消光系数）差异，确认金属完全氧化。

实例：Pearl等测得AlInN氧化层折射率（1.77–1.83）显著低于原材料，消光系数0.01–0.12，证实完全转化。

应用3：各向异性量化

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

原理：穆勒矩阵SE分析空间色散引起的介电常数各向异性。

实例：Bian等量化(110)/(100)硅晶片的空间色散各向异性，确定完整介电常数系数。

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【聚合物材料】领域应用

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聚合物薄膜在有机电子器件（如太阳能电池、发光二极管）中作为活性层、保护层或抗静电层，其光学特性、玻璃化转变温度（Tg）及溶胀行为直接影响器件性能。椭圆偏振法在紫外-可见光谱范围（UV-VIS）提供原位、非破坏性监测能力，不仅用于高精度厚度测量，还可解析玻璃化转变、溶胀动力学、分层效应等复杂动态过程。

应用1：溶胀动力学分析

（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

原理：椭偏仪实时测量薄膜厚度变化，量化溶剂蒸气中的膨胀率。

实例：Kumar等发现P4VP薄膜在乙醇中溶胀率达50倍，而PS在甲苯中更显著，揭示嵌段共聚物的溶剂选择性。

应用2：分层相变检测

原理：椭偏仪提取厚度-温度曲线斜率突变，识别多层结构的玻璃化转变。

实例：Pradipkanti等通过斜率不连续性，发现老化PS薄膜存在两个Tg（对应玻璃态/混合态/橡胶态）。

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【生物传感材料】领域应用

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传统医学检测方法耗时长、成本高且依赖专业操作。生物传感器因其快速检测、结构紧凑和低成本优势成为理想替代方案，而适配体（DNA/RNA或短肽链）凭借对pH/温度的高稳定性，优于传统抗体实现靶标分子在传感表面的固定。椭偏仪通过实时监测薄膜表面光学参数（振幅比/相位差）变化，直接计算吸附目标的质量密度，为无标记原位研究生物分子相互作用提供高效平台。

应用1：蛋白质结合实时监测

光谱椭偏仪测量的椭偏参数 ψ(λ) 和 ∆(λ)。裸 ZnO 薄膜（黑色曲线）、 Aptamer 功能化层在 ZnO 表面（红色曲线）以及固定在 ZnO 表面的 Spike 蛋白质层（绿色曲线）

原理：椭偏仪通过振幅比/相位差变化计算表面质量密度，追踪生物分子吸附过程。

实例：Alshammari等检测SARS-CoV-2刺突蛋白结合：20分钟达稳定，表面密度随浓度递增，检测限1 nmol/L。

应用2：生物界面稳定性评估

原理：椭偏仪测量功能化氧化物层厚度及光学常数，评估其对生物分子的保护作用。

实例：Macullis等通过多孔氧化铝厚度分析，量化人血清白蛋白吸附稳定性及清洗影响。

椭圆偏振光谱法测量快速、准确、无损，在材料领域具有广泛的应用前景和重要的研究价值。随着科学技术的不断发展，椭圆偏振光谱技术的测量精度和测试性能将不断提高，其在材料研究和应用中的作用也将发挥更大的作用。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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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全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量薄膜厚度、折射率、消光系数、光学带隙等参数，适用于各类材料及界面。费曼仪器依托自主研发的尖端设备为半导体材料、聚合物材料以及生物传感材料领域提供精准测量解决方案。

原文参考：《椭圆偏振光谱在材料领域的应用进展》

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关于我们

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苏州费曼测量仪器有限公司（Flexfilm）——薄膜材料智检先锋，致力于为全球工业智造提供精准测量解决方案。薄膜结构精密测量设备：台阶仪、全光谱椭偏仪、单点膜厚仪、自动膜厚仪、在线厚度测量系统，为客户提供接触式、非接触式、自动化测量系统三种薄膜厚度测试技术。

材料电学性能表征设备： 离线/在线四探针测试仪、半导体晶圆在线方阻测试仪、平板显示在线方阻测试仪、TLM接触电阻测试仪、霍尔测试仪、扩展电阻SRP测试仪。Flexfilm 致力于成为客户在材料研发、工艺控制和质量保证环节最值得信赖的合作伙伴，以创新的测量技术驱动全球工业智造的进步。