论文标题：Spectroscopic Ellipsometry: Advancements, Applications and Future Prospects in Optical Characterization

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/1/3/14

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

光谱椭偏技术（Spectroscopic Ellipsometry, SE）作为一种非侵入式光学表征方法，近年来在材料科学、半导体工业及生物医学等领域展现出卓越的潜力。通过分析光在样品反射或透射过程中偏振态的变化，SE能够精确测定薄膜厚度（t）、折射率（n）和消光系数（k）等关键参数，为复杂材料体系（如多层结构、纳米材料及生物界面）的表征提供了高精度解决方案。随着光学模型（如Cauchy、Lorentz模型）和数据处理技术的进步，SE已成为从紫外到红外宽光谱范围内材料研究的核心工具，尤其在半导体工艺监控、光伏材料优化及生物传感器开发中不可或缺。

研究过程与结果

光谱椭偏技术的核心原理基于菲涅尔方程，通过测量偏振光与材料相互作用后振幅比（Ψ）和相位差（Δ）的变化，反演出样品的介电函数与光学常数。研究显示，SE在紫外/可见光区可解析材料的带隙（Eg）和电子跃迁行为，而在红外区则能表征晶格振动模式（如声子）和自由载流子效应。例如，通过Lorentz振荡器模型可模拟半导体中量子限域效应，而Drude模型则适用于金属等导电材料的等离子体共振分析。此外，SE结合有效介质近似（EMA）可量化表面粗糙度或孔隙率，为薄膜质量控制提供依据。

在实际应用中，SE的多功能性尤为突出。例如，在半导体领域，它被用于监测离子注入后的损伤分布（如GaAs和Si晶圆）及退火修复过程；在生物医学中，SE通过实时监测蛋白质吸附动力学助力癌症标志物（如PCA3）检测；而Mueller矩阵椭偏技术（MMSE）进一步拓展了对各向异性材料（如二维材料、液晶）的研究能力。尽管SE存在空间分辨率有限（毫米级）和低吸收材料表征困难等挑战，但通过结合原子力显微镜（AFM）或X射线衍射（XRD）等辅助技术，其数据可靠性显著提升。

研究总结

光谱椭偏技术凭借其非破坏性、高精度及宽光谱覆盖的优势，已成为材料光学表征的标杆方法。本文系统梳理了SE的理论基础（如Kramers-Kronig关系）、模型选择（Cauchy与Lorentz模型）及跨学科应用（从半导体到生物传感），揭示了其在解决材料界面、厚度及光学常数问题中的不可替代性。未来，随着人工智能（AI）辅助数据分析、原位实时监测技术的成熟，以及微纳成像椭偏仪的发展，SE有望在更复杂的材料体系（如超薄薄膜、异质结构）和动态过程（如化学反应、生物分子相互作用）中实现突破。这一技术的持续创新将为光学材料设计、工业质量控制及基础科学研究开辟新路径。