椭圆偏振光谱仪一e测试

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椭圆偏振光谱仪

2021-12-13 14:16:03 0 608

概述

是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。由于并不与样品接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量设备。

原理

椭圆偏光法涉及椭圆偏振光在材料表面的反射。为表征反射光的特性，可分成两个分量：P和S偏振态，P分量是指平行于入射面的线性偏振光，S分量是指垂直于入射面的线性偏振光。菲涅耳反射系数r描述了在一个界面入射光线的反射。P和S偏振态分量各自的菲涅耳反射系数r是各自的反射波振幅与入射波振幅的比值。大多情况下会有多个界面，回到最初入射媒介的光经过了多次反射和透射。总的反射系数Rp和Rs，由每个界面的菲涅耳反射系数决定。Rp和Rs定义为最终的反射波振幅与入射波振幅的比值。

是一种非接触式、非破坏性的薄膜厚度、光学特性检测技术。椭偏法测量的是电磁光波斜射入表面或两种介质的界面时偏振态的变化。椭偏法只测量电磁光波的电场分量来确定偏振态，因为光与材料相互作用时，电场对电子的作用远远大于磁场的作用。

折射率和消光系数是表征材料光学特性的物理量，折射率是真空中的光速与材料中光的传播速度的比值N=C/V；消光系数表征材料对光的吸收，对于透明的介电材料如二氧化硅，光完全不吸收，消光系数为0。N和K都是波长的函数，但与入射角度无关。

椭偏法通过测量偏振态的变化，结合一系列的方程和材料薄膜模型，可以计算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光系数）K。

应用

椭偏仪可测的材料包括：半导体、电介质、聚合物、有机物、金属、多层膜物质。

椭偏仪涉及领域有：半导体、通讯、数据存储、光学镀膜、平板显示器、科研、生物、医药等。

椭偏法测量优点

(1)能测量很薄的膜(1nm)，且精度很高，比干涉法高1~2个数量级。

(2)是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法如称重法、定量化学分析法简便。

(3)可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作为分析工具使用。

(4)对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感，是研究表面物理的一种方法。

研究应用

杭州电子科技大学电子信息学院严文生教授团队团队独辟蹊径，采用光管理策略用以提高钙钛矿电池的短路电流密度和转换效率。他们选择和制备了一种高稳定性的Cs_0.05(FA_0.85MA_0.15)_0.95Pb(I_0.85Br_0.15)₃电池。在做电池光管理之前，首先进行钙钛矿薄膜的椭圆偏振测量，通过构建物理模型，获得了该钙钛矿薄膜波长依赖的光学常数实验值(n,k)。

图1 (a)制备的钙钛矿薄膜截面SEM图；b)钙钛矿薄膜波长依赖的光学常数实验值(n,k)。

研究进展

南开大学刘进超副教授和任梦昕副教授、许京军教授团队利用人工智能技术发明了一种新型的全自动椭偏分析系统（英文名称SUNDIAL，意为日晷）。相比传统椭偏数据解析方法，新技术具有极强的优越性，不仅对于(Ψ, Δ)双参量，甚至对于更加复杂的（Ψ, Δ, R, T）四参量也能实现高精度解析。

图1 全自动椭偏数据分析系统(SUNDIAL)。(a) 椭偏仪测量原理示意图。SUNDIAL可自动对于(Ψ, Δ, T, R)进行分析，快速地输出待测薄膜厚度、光学常数(d, n, κ)。(b) 同传统技术相比，SUNDIAL具有更高平衡精度。

文献链接

https://www.nature.com/articles/s41377-021-00482-0

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