各向异性二维材料成像穆勒矩阵椭偏测量理论与方法研究

Novel two-dimensional (2D) materials, such as black phosphorus, show some outstanding photoelectric properties, such as high carrier mobility, tunable bandgap, and anisotropy, which open up a new direction for future microelectronics and optoelectronics. Accurate characterization of the photoelectric properties and the structure parameters of the 2D materials is basis for the reveal of novel phenomena, performance control and wide applications. The atomic layered structure and micron-scale horizontal size of the 2D material flake always containing optical anisotropy, depolarization, nonuniform distribution, etc. bring big new requirements and challenges to the existing measurement techniques. Thus, in this project, we intend to research on the theory and method of imaging Mueller matrix ellipsometry (MME) for anisotropic 2D materials. We combine the MME and high-resolution microscopy, and intend to achieve the full Mueller matrix measurement at multi incidences and azimuths with sub-micron lateral resolution. The project will focus on solving the problems of accurate forward modeling of ultrathin layers with anisotropy and depolarization, robust parameter extraction under strong parameter coupling, the experimental set-up and experiments. It is expected that the exploratory research in this project will provide a visual metrology for the scientific research of ultrathin 2D materials.

黑磷等新型二维材料展现出极高的载流子迁移率、可调的带隙范围、显著的各向异性等优异的光电性能，为未来微电子和光电子等领域开辟了全新方向。二维材料光学特性和膜层结构参数的精确测量表征，是解释其新颖现象、实现其性能调控和广泛应用的基础。二维材料原子级分层结构和微米级横向尺寸，以及光学各向异性、退偏、不均匀分布等，对现有测量技术提出了新的需求与挑战。为此，本项目提出开展各向异性二维材料成像穆勒矩阵椭偏测量理论与方法研究，通过将穆勒矩阵椭偏仪与高分辨显微成像结合，获取具有亚微米横向分辨的多入射角、多方位角全穆勒矩阵光谱。强调高分辨成像穆勒矩阵在各向异性二维材料椭偏测量机理中的重要性，重点解决各向异性复杂膜层正向光学特性建模、多参数高耦合情况下待测参数鲁棒提取、高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪实验平台搭建及测量实验等基础理论方法与关键技术问题，为新型各向异性二维材料科学研究提供一种可视化、精确测量新方法。

新型二维材料凭借其独特的结构特征和优越的光电性能，在光电二极管、太阳能电池、光电探测器、光电调制器等众多光电领域可望获得广泛应用。对二维材料的光学特性和膜层结构参数进行精确表征，是揭示并调控其基本物理性质的基础，是实现相关光电器件优化设计和性能提升的关键。.鉴于此本项目围绕超薄各向异性二维材料成像穆勒矩阵椭偏测量开展研究，取得了若干研究成果，主要包括：(1) 超薄复杂膜层光谱椭偏测量理论方法，包括超薄复杂膜层光学特性建模方法、多参数高耦合下超薄膜层光学特性椭偏求解、超薄复杂介质中偏振光与物质相互作用等；(2) 高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪，解决了液晶调制型穆勒矩阵椭偏仪测量系统设计、宽视场偏振器件设计和表征、激光成像消散斑方法、非偏振分束器和高数值孔径物镜偏振效应校正等关键技术，初步搭建了具有亚微米横向分辨的成像穆勒矩阵椭偏仪实验平台；(3) 新兴光电材料光学与介电性质研究，精确表征了二维材料、准一维晶体、有机半导体等新型光电材料的等光学和介电函数，在国际上抢先构建并分享了若干新兴材料的基础光学数据库，深入研究并揭示了尺度效应、激子效应等微观物理效应对材料光学与介电性质的影响规律和作用机理，发现了准一维晶体材料的巨各向异性并揭示了其物理起源；(4) 复杂叠层光电器件光学模拟与优化设计，构建了复杂叠层光电器件光学计算模型，系统分析了有源(OLED)和无源(OPV)光电器件的光电特性，提出多参数-多目标协同优化设计方法和考虑实际工艺窗口的稳健优化设计策略，显著提升了器件的光电转化效率、色度品质等关键性能。.本项目研究内容和成果为超薄膜层材料光学与介电性质研究提供了一种全面系统的定量表征和分析方法，并且为其在光电器件中的应用推广奠定了基础。