【摘要】 Friš团队研发真空变角远红外椭偏仪，解决50-600cm⁻¹波段测量难题。解析FTIR耦合设计、光束校准方案及SrTiO₃实测数据，填补声子效应与超导材料表征技术空白。

引言

椭圆偏振光谱作为成熟的固体液体光学响应测量技术，凭借其对p/s偏振分量的相位高灵敏度，已成为纳米薄膜表征的核心手段。传统光谱椭偏仪多覆盖近红外至紫外波段，而中红外区已出现基于傅里叶变换红外（FTIR）的商用设备。但在远红外波段（50-600cm⁻¹）——涉及声子效应、载流子吸收等关键物理现象——商用设备长期空缺，主因技术瓶颈：需液氦冷却探测器及复杂水汽隔绝系统。

 

技术突破：真空变角FIR椭偏仪

Friš与Dubroka团队（2017）创新开发真空变角远红外椭偏仪，通过三项核心设计攻克技术壁垒：

1.​真空腔体系统：抑制水蒸气干扰，腔体采用复合子腔结构抵御大气压力

2.​自动化-2角计：计算机控制入射角，支持全自动多角度数据采集

3.​FTIR光谱仪耦合：对接Bruker Vertex80v，兼容汞灯（FIR）与全局光源（中红外）

 

系统设计与技术校准

图1：真空椭偏室与FTIR光谱仪耦合原理图

系统采用离轴抛物面镜（FM1）聚焦光束，关键创新点在于：

  • 发现FTIR辐射分布不均问题（图2），左侧强度达右侧1.3倍
  • 溯源分束器（BMS）偏心棒缺陷，改用KBr分束器可消除影响
  • 建立光束强度校正模型，消除入射角测量偏差
 

图2：光谱仪样品室（黑线）与椭偏仪腔（红线）的光束强度比

 

实测验证与行业价值

在SrTiO₃晶体测试中：

  • 与商用中红外椭偏仪数据在重叠区高度吻合
  • 残余干扰源于18cm⁻¹辐射热计敏感元件波动（新一代元件开发中）
    该设备填补远红外椭偏仪市场空白，为超导材料、半导体器件研发提供关键技术支撑。

 

参考文献：1.Friš, P.; Dubroka, A., Vacuum variable-angle far-infrared ellipsometer. Appl. Surf. Sci. 2017, 421, 430-434.

 

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