载流子浓度的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种载流子浓度的测量方法及系统，其中，该测量方法包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。该测量方法在测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，不影响载流子的浓度和空间分布。

【技术实现步骤摘要】
载流子浓度的测量方法及系统
本公开属于材料测试
，涉及一种载流子浓度的测量方法及系统，特别涉及一种基于金刚石NV色心自旋弛豫速率实现载流子浓度测量的方法和系统。
技术介绍
载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位(或空穴)被视为一种载流子，电子也是一种载流子；在金属中，自由电子作为载流子；在电解液中，正、负离子作为载流子。载流子对材料的性质有重要的影响，其中，载流子浓度的变化会导致材料电导率的变化，影响材料的电学性质。在材料物理中，载流子随空间的分布可以使材料展现出拓扑特性。对二维材料载流子浓度的控制可改变其势垒，用于开发新一代光电器件。在半导体器件中，载流子浓度的高低决定元件的调制速度，并且影响其击穿特性，影响其稳定性和安全性。因此对载流子浓度的测量是一个很重要的方向。目前已有一些测量载流子浓度的方法，比如利用肖特基二极管测量流过的电流强度得到载流子的浓度，或者利用原子力显微镜(AFM)的多重电子模式测量局域的载流子分布，或者利用普通霍尔效应或者反常霍尔效应测量载流子的浓度，以及利用光霍尔效应测量光致载流子浓度变化。然而，这些方法都需要测量元件与被测样品欧姆接触，会对载流子的浓度和空间分布有所改变。因此，有必要提出一种无损的载流子浓度的测量方法，在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种载流子浓度的测量方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种载流子浓度的测量方法，包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。在本公开的一些实施例中，金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线的获得方法如下：利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。在本公开的一些实施例中，曲线拟合为线性拟合或者最小二乘拟合。在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率测量系统进行测量，该NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：共聚焦荧光显微系统，包含：激光器、声光调制器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；激光器、声光调制器和双色镜处于第一轴向，显微镜物镜、双色镜、长通滤光片和单光子计数模块处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；调制信号产生器，与声光调制器相连，用于产生调制电信号，该调制电信号加载于声光调制器，实现声光调制器控制激光的打开与关断；数据采集卡，统计单光子计数模块记录下的NV色心的荧光光子数；以及计算机，与调制信号产生器、数据采集卡均相连，实现数据处理和存储。在本公开的一些实施例中，NV色心自旋弛豫速率测量系统的光路如下：激光器发出的激光经过声光调制器调制后由双色镜实现反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到待测的NV色心上，由待测的NV色心辐射出的荧光再经由显微镜物镜收集后依次透过双色镜、长通滤光片，进入单光子计数模块中。在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率的方法，包括：一基本探测过程：控制声光调制器使激光打开并聚焦后照射至NV色心一第一预设时间，使得NV色心的自旋态被初始化/极化到ms＝0态；控制声光调制器使激光关闭，使NV色心的自旋态在声子和磁场的作用下弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，该弛豫过程对应的时间为弛豫时间τ；之后继续打开激光一段时间，在该段时间内单光子计数模块打开一第二预设时间探测NV色心的荧光强度；循环上述基本探测过程；在探测过程中扫描从NV色心极化到ms＝0态和单光子计数模块打开之间的时间间隔τ，可得到NV色心的荧光强度随时间间隔τ的e指数衰减曲线，拟合之后就可得到NV色心的弛豫速率。在本公开的一些实施例中，在继续打开激光一段时间内，单光子计数模块打开一第二预设时间探测得到NV色心的荧光强度为测量信号，在激光还处于打开状态内，关闭单光子计数模块一第三时间后再次打开单光子计数模块一第二预设时间进行探测得到NV色心的荧光强度为参考信号，利用测量信号处于参考信号得到归一化信号。在本公开的一些实施例中，第一预设时间为3μs～5μs；和/或，第二预设时间为300ns；和/或，基本探测过程循环106次以上。在本公开的一些实施例中，当含有NV色心的金刚石为粉末金刚石时，将该粉末金刚石置于待测样品上或由原子力显微镜尖段附带该粉末金刚石悬于待测样品附近；和/或，当金刚石为块状金刚石时，将待测样品置于该块状金刚石表面上；和/或，待测样品为金属、半导体、或拓扑绝缘体材料。根据本公开的另一个方面，提供了一种载流子浓度的测量系统，该载流子浓度的测量系统为一NV色心自旋弛豫速率测量系统。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的载流子浓度的测量方法及系统，具有以下有益效果：利用不同载流子浓度由于热运动产生不同强度的Johnson噪声(电流噪声)，进而产生不同大小的磁场，而磁场会导致NV色心自旋弛豫速率的改变的特性，测量NV色心的自旋弛豫速率即可得到载流子浓度的信息，并且由于NV色心的载体金刚石是绝缘体，测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，因此在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量方法流程图。图2为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量系统的结构图，同时也示意NV色心自旋弛豫速率测量系统的结构图。图3为根据本公开一实施例所示的测量NV色心自旋弛豫速率的激光脉冲序列。图4为根据本公开一实施例所示的金刚石中NV色心能级以及零场劈裂示意图。图5为根据本公开一实施例所示的拟合的载流子浓度和金刚石NV色心自旋弛豫速率之间的关系曲线。【符号说明】1-激光器；2-声光调制器；3-双色镜；4-显微镜物镜；5-NV色心；6-长通滤光片；7-单光子计数模块；8-调制信号产生器；9-数据采集卡；10-计算机。具体实施方式氮空穴色心(NV色心，Nitrogen-Vacancycenter)是金刚石中的一种发光点缺陷，一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷被称为NV色心。金刚石中NV色心是由与金刚石相邻晶格位置中的空位/空穴(V)相关联的替代氮原子(N)，其空位捕获电子组成，具有C3v对称结构。NV色心的电学结构主要是由空穴周围的三个碳和一个氮原子的悬空键决定。带一个负电荷的NV色心有6个电子，填充4个轨道形成S＝1的自旋基态，基态为自旋三重态。在零外磁场下，S＝1的自旋态导致基态发生劈裂为ms＝0和ms＝±1，称为零场劈裂，约为2.87GHz。借助于NV色心亚稳态跃迁的自旋选择特性，实验上通常用激光极化NV色心的自旋状态到ms＝0态。声子和外磁场会导致NV色心的自旋态从ms＝0弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，称为纵向自旋弛豫，其特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种载流子浓度的测量方法，其特征在于，包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。

【技术特征摘要】
1.一种载流子浓度的测量方法，其特征在于，包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线的获得方法如下：利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。3.根据权利要求2所述的测量方法，其中，所述曲线拟合为线性拟合或者最小二乘拟合。4.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率测量系统进行测量，该NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：共聚焦荧光显微系统，包含：激光器、声光调制器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；激光器、声光调制器和双色镜处于第一轴向，显微镜物镜、双色镜、长通滤光片和单光子计数模块处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；调制信号产生器，与声光调制器相连，用于产生调制电信号，该调制电信号加载于声光调制器，实现声光调制器控制激光的打开与关断；数据采集卡，统计单光子计数模块记录下的NV色心的荧光光子数；以及计算机，与调制信号产生器、数据采集卡均相连，实现数据处理和存储。5.根据权利要求4所述的测量方法，其中，所述NV色心自旋弛豫速率测量系统的光路如下：激光器发出的激光经过声光调制器调制后由双色镜实现反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到待测的NV色心上，由待测的NV色心辐射出的荧光再经由显微镜物镜收集...

【专利技术属性】
技术研发人员：李登峰，孙方稳，陈向东，李燊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34