【摘要】 全面阐述椭偏仪工作原理、折射率/消光系数测量方法，详解半导体、光学镀膜、钙钛矿电池中的创新应用，附南开大学SUNDIAL系统等前沿研究案例

椭偏仪作为一种高精度光学测量仪器，凭借其非接触、无损检测特性，广泛应用于薄膜厚度与材料光学常数分析领域。该技术通过测量偏振光在样品表面反射后的状态变化，实现对纳米级薄膜厚度（T）、折射率（N）和消光系数（K）的精准解析。

 

一、工作原理与技术优势

椭偏测量基于光波电场与物质相互作用的物理机制（磁场影响可忽略）。当偏振光以特定角度入射材料表面时，通过检测反射光的振幅比（Ψ）和相位差（Δ）变化，结合物理模型方程可计算出材料的光学参数。其核心优势在于：

  • 支持连续快速测量
  • 适用透明/半透明薄膜分析
  • 消光系数可量化材料吸光性（如二氧化硅K≈0）

 

二、多领域应用场景

1.​半导体制造

监控硅基氧化物/氮化物、高低k介质、光刻胶薄膜的厚度均匀性

2.​光学镀膜

优化SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅等高低温折射率薄膜的沉积工艺

3.前沿科研

  • 材料科学：结合原子力显微镜进行微区结构分析
  • 生物医药：液体环境中单分子层吸附动力学研究
  • 能源领域：助力新型光伏材料开发（如下述案例）

 

三、创新研究案例

案例1：钙钛矿电池光管理突破

杭州电子科技大学严文生团队通过椭偏仪精准测定Cs₀.₀₅(FA₀.₈₅MA₀.₁₅)₀.₉₅Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃钙钛矿薄膜的光学常数（n,k），据此设计光管理策略显著提升电池短路电流密度与转换效率。

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)。[1]

 

案例2：AI驱动的椭偏分析系统

南开大学刘进超团队开发的全自动椭偏平台SUNDIAL，创新性地融合机器学习算法：

  • 同步解析Ψ,Δ,R,T四参数
  • 30秒内输出厚度d、光学常数(n,k)
  • 比传统方法精度提升40%

图2. 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。[1]

 

四、技术演进趋势

随着机器学习算法的深度应用（如Light Sci Appl 10,55研究所示），椭偏技术正朝着多参数耦合解析、实时在线监测、复杂微纳结构表征方向发展，为新材料研发提供关键数据支撑。

 

参考文献：[1] Chen, C.; Wu, D.; Yuan, M.; Yu, C.; Zhang, J.; Li, C.; Duan, Y. Spectroscopic ellipsometry study of CsPbBr3 perovskite thin films prepared by vacuum evaporation. Journal of Physics D: Applied Physics 2021, 54 (22), 224002.

[2] Liu, J., Zhang, D., Yu, D. et al. Machine learning powered ellipsometry. Light Sci Appl 10, 55 (2021).

 

科学指南针在全国建立32个办事处和20个自营实验室，拥有价值超2.5亿元的高端仪器。检测项目达4000+项，覆盖材料测试、环境检测、生物服务、行业解决方案、模拟计算等九大业务。累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。