71、介电基底上薄膜的外反射光谱研究

介电基底上薄膜的外反射光谱研究

1. 引言

外反射红外（IR）光谱技术是一种用于表征表面和吸附膜的成熟方法，能提供表面薄层和吸附分子的化学组成与结构信息。过去，多数研究集中在金属基底上，这是因为金属具有接近 100% 的反射率，无论入射角和偏振如何，都能保证高灵敏度，且吸附物光谱通常无光学畸变或峰移，还遵循金属表面选择规则，便于评估吸附分子的表面取向。

然而，将外反射测量扩展到非金属基底（如碳、硅或氧化物表面）时，会得到复杂且高度畸变的光谱，且获得合理信噪比（S/N）所需的典型层厚度远超单层厚度。此前尝试在金属基底上沉积超薄非金属层或在非金属基底表面下植入薄金属层，但这些方法因基底制备繁琐且与块状非金属材料可比性存疑，实际应用受限。

对于介电基底，虽然有其他更灵敏的表面红外技术（如衰减全反射（ATR）或斜入射透射），但外反射技术仍有优势：无需特殊基底几何形状，光学配置简单，可用于许多表面过程的原位研究；基底吸收不会阻碍外反射测量；外反射光谱中的复杂谱带轮廓及其对实验参数的强烈依赖包含详细结构信息，结合光谱模拟，是研究非金属基底表面化学的有力工具。

2. 光谱模拟

2.1 界面处的红外辐射

根据经典电磁波理论，红外光束的电场矢量 E 和磁感应场矢量 B 沿传播方向垂直振荡。红外光束可由强度、传播方向和偏振态描述，通常关注光束强度 I，其与 |E|² 成正比。

在界面处反射或透射红外辐射时，需区分两种极端偏振态：p 偏振（偏振面平行于入射面）和 s 偏振（偏振面垂直于入射面）。根据斯涅尔定律（n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂），入射光束在界面处会发生反射和折射。反射率 R 和透射率 T 由反射系