二維材料因其獨(dú)特的電子與光學(xué)性質(zhì)成為前沿研究熱點(diǎn)。準(zhǔn)確表征其光學(xué)響應(yīng)，尤其是復(fù)介電函數(shù)，對(duì)理解其物理機(jī)制與器件應(yīng)用至關(guān)重要。傳統(tǒng)光學(xué)方法受限于信號(hào)強(qiáng)度與靈敏度，而光譜橢偏儀通過探測(cè)偏振態(tài)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)超薄材料的高精度光學(xué)常數(shù)提取，已成為該領(lǐng)域不可或缺的工具。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文系統(tǒng)回顧了光譜橢偏儀在二維材料光學(xué)性質(zhì)研究中的關(guān)鍵作用，涵蓋石墨烯、過渡金屬二硫化物及其有機(jī)薄膜等體系。SE憑借其高靈敏度與無損特性，可精確獲取介電函數(shù)、激子共振、光學(xué)各向異性等重要參數(shù)，并揭示層間耦合、基底效應(yīng)等物理現(xiàn)象。盡管存在模型依賴性與空間分辨率等局限，SE仍是二維材料光學(xué)表征的核心手段，未來結(jié)合人工智能與計(jì)算光子學(xué)有望進(jìn)一步推動(dòng)其發(fā)展。

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方法與建模

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SE測(cè)量原理示意圖，展示了偏振光在樣品反射后的變化

用于SE分析的物理多層MLG/Ni結(jié)構(gòu)（左）與多層光學(xué)模型（右）的映射關(guān)系

SE測(cè)量基于Ψ和Δ兩個(gè)參數(shù)，通過建立分層光學(xué)模型并擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，反演出材料的光學(xué)常數(shù)。常用模型包括：

三維平板模型：適用于具有明確厚度的薄膜；

二維片層模型：用于描述原子級(jí)薄層，避免厚度定義困難。

建模中需考慮表面粗糙度、各向異性及梯度折射率等實(shí)際因素，并選用合適的色散模型（如 Lorentz、Drude?Lorentz、Tauc?Lorentz 等）描述介電函數(shù)譜。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法為 SE 數(shù)據(jù)分析提供了新的高效途徑。

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石墨烯與金屬基底的界面效應(yīng)

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鎳基底上多層石墨烯的光學(xué)電導(dǎo)率的實(shí)部（σ?）

SE 研究發(fā)現(xiàn)，鎳基底上多層石墨烯的π→π躍遷從4.6 eV紅移至4.38 eV，揭示了界面電荷轉(zhuǎn)移與能帶雜化對(duì)光學(xué)性質(zhì)的顯著調(diào)控。

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單層 TMDs 的激子物理

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單層二硫化鉬（MoS?）在300 K（上圖）和68 K（下圖）下的介電函數(shù)虛部（??）

單層MoS?、WS?等材料在低溫下表現(xiàn)出銳化的A、B激子峰，并可分裂為中性激子與帶電激子。該分裂行為與合成方法密切相關(guān)，表明SE可用于評(píng)估材料質(zhì)量與摻雜類型。

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層數(shù)依賴的光學(xué)性質(zhì)演變

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單層（彩色線）與體材料（灰色線）TMDs（MoSe?, WSe?, MoS?, WS?）的介電函數(shù)虛部（??）比較

從體材料到單層，TMDs中高能的C、D躍遷發(fā)生明顯藍(lán)移（150–300 meV），而A激子變化較小，反映了不同電子態(tài)對(duì)層間耦合的敏感程度差異。

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多層 TMDs 的各向異性與雙曲特性

多層MoS?, MoSe?, MoTe?, WS?, WSe?的復(fù)介電函數(shù)的面內(nèi)（粗線）與面外（細(xì)線）分量

多層TMDs在近紅外波段具有高面內(nèi)折射率（如MoTe?達(dá)4.84 @1550 nm）和強(qiáng)雙折射。某些金屬性TMDs更展現(xiàn)出天然的雙曲色散行為，為集成光子學(xué)與超構(gòu)材料提供新平臺(tái)。

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有機(jī)薄膜的梯度與工藝依賴性

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有機(jī)薄膜的光學(xué)性質(zhì)常呈現(xiàn)深度方向的折射率梯度，且受基底處理與沉積工藝影響顯著，需采用梯度模型進(jìn)行精確分析。

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挑戰(zhàn)與展望

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SE面臨模型依賴性、空間分辨率限制、復(fù)雜樣品表征等挑戰(zhàn)。未來發(fā)展趨勢(shì)包括：

發(fā)展原位、實(shí)時(shí) SE 監(jiān)測(cè)技術(shù)；

結(jié)合穆勒矩陣橢偏以解析更復(fù)雜的各向異性；

融合人工智能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與模型優(yōu)化；

構(gòu)建二維材料光學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，助力計(jì)算輔助的光子器件設(shè)計(jì)。

光譜橢偏儀已成為揭示二維材料光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)手段，在激子物理、界面效應(yīng)、各向異性與維度效應(yīng)等研究中發(fā)揮不可替代的作用。隨著方法學(xué)與交叉技術(shù)的進(jìn)步，SE 將繼續(xù)推動(dòng)二維材料在光電子、納米光子學(xué)等領(lǐng)域的深入發(fā)展與實(shí)際應(yīng)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)：無測(cè)量死角問題。
• 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)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

#橢偏儀#二維材料#過渡金屬硫族化物#光學(xué)各向異性#激子

原文參考：《SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETRY FOR TWO-DIMENSIONAL MATERIALS: METHODS, OPTICAL MODELING, AND EMERGING PHENOMENA》

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