75、红外光谱椭偏测量技术：原理、应用与挑战

红外光谱椭偏测量技术：原理、应用与挑战

1. 引言

红外光谱椭偏测量是一种反射技术，可对表面、表面层、沉积物和吸附物进行非接触、无损的原位研究。与传统反射测量相比，除了第二个偏振器外，实验配置基本相同。实验参数如入射角和偏振器方位角需精确知晓，以便与理论进行定量比较来详细解释结果。

在红外光谱学中，通常主要考虑吸收带的光谱模式来识别化合物，而椭偏测量在每个光谱分辨间隔通过两个参数来表征反射辐射的椭圆偏振。这些参数是比率或角度，无需标准即可确定。通过理论解释这两个参数，可获得块状样品的特定化合物和与方法无关的光学常数，对于衬底上的层，还可得到其（几何）厚度。这两个光学常数能全面描述光学性质，为进一步解释分子内和分子间的实际情况提供可靠依据。

在可见光范围内，椭偏测量常用于薄膜分析。尽管红外光谱椭偏测量增加了振动表征的完整范围，但应用不如可见光范围广泛。不过，已证明红外椭偏测量可可靠地表征纳米级厚度的层。红外范围的光谱宽度在许多方面弥补了可能降低的信噪比，分子振动的指纹模式提供的特定化合物信息拓宽了椭偏测量的应用范围。

红外光谱椭偏测量在半导体技术等领域具有根本优势，可同时表征多个堆叠层。此外，许多矿物和技术相关材料在红外区域的剩余射线带附近的效应增加了测量的灵敏度，可检测到厚度仅为纳米级的层。

2. 测量

红外椭偏测量最初尝试使用色散单色仪，但直到傅里叶变换红外（FT - IR）光谱仪出现才成为实用技术。干涉仪同时处理整个光谱范围，意味着需采用光度方案来确定反射辐射的偏振状态。早期在可见光范围内用于单波长测量的归零程序在红外区域因双折射材料选择有限而受阻。

2.1 用椭偏参数和斯托克斯矢量表征光束