张玉苹

摘要：在研究生的椭偏光谱实验课中，本文站在学生的角度精心设计教学内容，采用理论结合实际的讲授方式，从仪器的注意事项、操作步骤、数据处理三方面深入讨论，使研究生更好地利用椭偏谱仪为科学研究提供有力的数据支持，并掌握一项科研仪器的使用技能。

关键词：椭偏光谱；膜厚；光学常数；教学讨论

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）28-0266-02

椭偏光谱为椭圆偏振光谱的简称，是一种研究表面、界面、薄膜分析的光学技术，被广泛应用于物理、化学、材料和生物等学科领域[1-4]。由于其对样品无损无接触、精度高、灵敏度高、无需真空、快速等特点，同时能够确定薄膜的厚度和光学常数，在众多薄膜分析技术中崭露头角，已成为一种极具吸引力的测量技术。目前，众多高校的相关专业都为本科生开设了椭偏光谱课程，使用椭偏仪测量薄膜的厚度与光学常数也逐渐成为高校仪器分析课程的基础实验之一[5，6]。这种封闭式仪器管理模式直接影响了学生实验的进展，降低了科研效率，也使大型仪器的作用得不到充分发挥，造成科研资源的浪费。

随着我国经济的迅速发展，对科研资金的投入逐年提高，高校和科研院所对椭偏仪的采购逐渐增多，如何使椭偏仪得到充分利用，更好地为科研工作者服务，是很多科研单位需要认真思考的问题。这里我就结合自身的体会和经验，以Uvisel 2椭偏仪为例，从仪器的注意事项、测试的操作使用、建模型技巧等三个方面，谈谈如何对研究生进行安全、规范的椭偏实验教学。

一、仪器使用注意事项

向研究生开放椭偏仪的上机测试，目的是让他们及时获取实验数据，并发挥仪器的价值。鉴于椭偏仪属于高精密仪器，仪器中重要的部件仍需进口，所以不是任何学生都可以上机操作仪器。对需要使用椭偏仪的学生进行仪器的理论与上机操作培训是非常有必要的。

首先，要让准备上机操作的学生熟悉椭偏仪的结构组成、测试操作步骤、数据处理分析等。例如，Uvisel 2型椭偏仪的组成部件主要包括光源、起偏器、样品台、光弹调制器、检偏器、检测器等。其中，光源使用的是能够发射白光的氙灯，在测试中需用高纯氮气对其进行保护，所以在使用仪器前必须确认有足够的高纯氮气以保证测试的完成。此外，对学生反复强调不要触摸标准样品、校准样品、测试臂（光弹晶体），以及不能用力弯折用于通信的光纤。

其次，介绍正常操作中可能出现的异常情况，这些情况的出现会对仪器造成或大或小的影响，甚至会对后面学生的实验造成影响。再比如，严禁个人私自使用U盘拷贝数据，一旦带入病毒，将导致主机崩溃，进而造成测试数据丢失甚至重装仪器软件的风险，这将严重影响整个实验室的科研进度。以上事例均需反复强调，因为进口仪器一旦出现事故，不但需要大笔的维修经费，而且至少耗费1—2个月的时间从国外购买配件，这对实验室与科研工作者都是极大的损失。

最后，在确认学生参加了椭偏仪的理论与上机操作培训，并且掌握了测试流程与软件使用的前提下，方可允许学生进行上机操作。由于标准样的测试不仅可以用于确认仪器是否处于正常状态，还可以让学生进一步熟悉待测样品的操作步骤。因此，在对样品进行椭偏测试之前，重点提醒学生先对标准样进行测试，并强调对标准样测试的重要性。

二、测试操作步骤

在设计椭偏光谱实验课的教学时，作为教师应該认真思考如何安排教学内容与授课方式，使学生了解椭偏光谱的原理并掌握仪器的操作使用。因此，我们一定要结合仪器说明书，对学生进行基本且详细的操作培训。对于仪器操作使用的培训，应采用理论与实践相结合的方式，不仅要有老师的理论讲解和动手演示，还要让学生动手尝试，这样才能使他们有效掌握仪器的使用，并深刻认识到操作过程中的注意事项。

椭偏仪测试直接获得是椭偏角（Ψ与Δ），就是反映线偏振光经过样品反射后的椭圆偏振光的状态变化参数。测试的操作步骤如下：

1.设置采集数据的参数（光斑大小、曝光时间、光谱范围与间隔）。

2.调整样品使线偏振光打在样品并反射进入检偏器。

3.对数据命名并记录测试的详细条件。比如，样品的调整是为了实现线偏振光打在样品并反射进入检偏器，此部分内容不仅要重点详细介绍，还要让学生亲自动手操作。首先，在Sample Vision界面调整样品位置以确保线偏振光打在样品上；其次，在Tilt Vision界面将样品面调成水平使与样品作用形成的椭圆偏振光能够进入检偏器。实验结束后，依次点击软件中Results>Acquisation>当天日期的文件夹，查看样品测试的椭偏角数据，然后关闭测试界面并取回样品，最后将防尘盖盖在标准样上。

三、椭偏数据的建模分析

椭偏光谱法并不能直接得到样品的厚度与光学常数，必须通过建立模型并利用测量的椭偏角数据来确定有关样品的信息。因此，应结合实例详细讲解建模的基本步骤、技巧、评判模型的原则，使学生真正掌握建模处理分析椭偏数据的方法。

建立模型时，先确定样品结构，并对其厚度拟合，确定厚度区间；然后根据样品的材料属性及透明性，选择合理的色散公式，对厚度与光学常数（n，k）同时拟合，最终获得样品厚度、n和k的曲线。模型建立后，软件会自动调节拟合参量寻找模型计算与测试数据之间的最佳匹配，Uvisel 2型椭偏仪采用χ2来表示拟合结果。χ2是量化实验数据与模型计算之间的差，一般来说，χ2越小，模型越接近样品的真实物理结构。评判模型不仅要看χ2值的大小，还要兼顾测试的椭偏数据、色散公式中的参数等方面的信息。具体来讲：（1）比较测试的椭偏数据和模型拟合生成数据是否匹配；（2）变化样品结构（添加粗糙层、渐变、空隙）观察χ2值是否下降；（3）观察模型拟合给出的膜厚值是否在预期范围之内；（4）查看色散公式中的参数是否符合其物理意义且误差在10%以内。另外，还可以通过其他表征手段对样品进行测试，相互对比结果，进一步确认模型的合理性。需要指出的是：有时样品比较厚，深度方向上的均匀性较差，即使测试与模型都正常的情况下，也会出现χ2值较大的现象。

四、結束语

研究生的椭偏光谱实验课与科学研究紧密相关，作为实验课教师应该从学生的角度设计安排教学内容与讲授方式，对仪器的注意事项要反复强调，测试操作要详细说明，建模处理分析要重点阐述。努力做到以人为本与因材施教相结合，使椭偏光谱仪更好地为每位研究生的科学研究提供有力的数据支持，仪器价值能够得到充分利用。

参考文献：

[1]莫党.椭圆偏振光谱的发展和应用[J].自然杂志，1986，9（11）：827-829.

[2]陈篮，莫党.现代椭偏光谱学的回顾与展望[J].光谱实验室，1999，16（1）：19-23.

[3]孙顺明，张良莹，姚熹.椭偏技术的原理及其在功能薄膜表征中的应用[J].压电与声光，1998，20（3）：209-213.

[4]黄宗卿，张胜涛，谢上芬，等.椭圆偏振光谱方法对电化学的研究及应用[J].电化学，1999，5（3）：247-253.

[5]吴思诚，王祖铨.近代物理实验[M].第2版.北京：北京大学出版社，1995.

[6]林木欣.近代物理实验[M].北京：科学出版社，1999：133-139.

Abstract：For the spectroscopic ellipsometer experiment of graduate students，the teaching content was carefully designed from the perspective of students. The application notice，operating steps，and processing data were instructed by combining theory with practice for the lecture. Therefore，the graduate students can take full advantage of ellipsometer to provide powerful data support for their scientific research，and master the use of a scientific instruments skills.

Key words：spectroscopic ellipsometer；film thickness；optical constant；teaching discussion