本发明专利技术公开了一种基于光纤和纳米操纵器的纳米材料光学表征方法及其系统，属于纳米材料光学表征和纳光电子器件测试领域。本发明专利技术的方法为通过光纤探头和纳米操纵器结合实现将纳米材料的发光从发光局域导入光分析仪器，或者将光源发光导入纳米材料局域的方法，本发明专利技术的系统包括显微镜、光分析仪和／或光源、纳米操纵器、光纤探头、样品台和／或探针；本发明专利技术的方法具有角度分辨能力；该系统对选定的微区进行光激励或光分析，占用空间小、具有较大的灵活性；同时该系统可以与多种显微、表征手段结合形成纳米材料和器件的综合测试平台。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种纳米材料光学表征方法及其系统，特别涉及一种基于光纤和纳米操纵 器的纳米材料光学表征方法及其系统，属于纳米材料光学表征和纳光电子器件测试领域。 该系统可与显微仪器，例如扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜结合，同时与多种表征设 备，例如X射线能谱探头(EDS)、纳米操纵器、冷台、扫描台等结合形成综合测试系统， 研究纳米材料和纳光电子器件的发光或光响应性质。
技术介绍
与体材料相比，纳米材料具有许多特点，例如量子限域导致的量子效应，例如较大的 表面积体积比，纳米材料的光学性质因而具有许多与体材料不同的特点。例如发现半导体 量子点的尺寸对其发光波长的调控，发现一些半导 体纳米线可以作为光波导，其天然微腔和受激辐射的结合可以形成光泵浦的Fabry-Parrot 激光器。为了研究单个纳 米结构的光学性质， 一方面需要一定的显微技术以便选定和定位需要研究的纳米结构；另 一方面需要进行微区光激发和微区光收集以便对选定的纳米结构进行针对性的研究；此 外， 一定的纳米结构操控能力有助于增加灵活性。为了适应这些需要，显微荧光/拉曼系 统、近场光学系统、光镊技术等在纳米材料光学性质表征中逐渐起到越来越重要的作用。 基于光学显微镜的系统能够进行显微、微区光激发和光收集，但由于受到光学衍射极限的 限制，在光学分辨率上稍逊一筹，由于系统建立在精密光路的基础上，使其较难与其他系 统整合，在灵活性上稍差一些。近场光学系统对样品要求较高，由于近场光学技术发展时 间有限，其技术并不完善。光镊技术是一种非接触式的操控技术，其优点在于非接触式， 可以操纵在溶液等透明介质中的小物体，缺点是其操控能力非常有限。综上所述，每种技 术都有其优势与缺点，发展一种具有较高的灵活性、能够结合显微镜的显微能力并能够提 供微区光激发、光收集功能和一定的样品操控能力的光学方法对纳米材料光学性质的表征 具有重要的意义。纳米材料独特的光学、电学性质使其具有构建一些有特殊功能或是有突出优点的光电 子器件的潜力，因此基于纳米材料的纳光电子器件获得了越来越多的关注。与传统的固态光电子器件相比，纳光电子器件有一些显著的不同首先，纳光电子器件采用一些独特的工艺，例如首先生长纳米材料，然后进行纳米材料的转移、定位和器件制作的bottom-up 方法；其次，与使用MEMS技术、薄膜技术的微光电子器件相比，使用纳米材料的纳光电子 器件具有更小的器件尺寸，有望获得更高的集成度；再次，纳米材料往往具有一些独特的 性质，例如量子限域、较低的晶格缺陷、较大的表面积体积比等，有效地利用这些性质可 以获得具有某些特殊功能的光电子器件，例如基于表面电钝化的光电开关。为 了对纳光电子器件进行有效地测试，需要建立器件测试平台，这样的平台应该能够提供电 流或将电流引出、微区光激发或光收集、显微以及一定的操纵能力。纳米材料的光学性质往往与其他性质有不同程度的偶联，例如半导体纳米线的化学组 分对其能带的调控会引起发光波长的变化;再比如，纳米材料的输运性质与其光学性质是相 关的。因此，结合多种表征手段对同一个纳米结构进行表征是有 必要和意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光纤和纳米操纵器的纳米材料光学表征方法，采用本 专利技术的方法可以实现对纳米材料的选定微区进行光激励或光分析，并且可以具有角度分辨 能力，本专利技术的第二个目的在于提供一种基于光纤和纳米操纵器的纳米材料光学表征系 统，其占用空间小、具有较大的灵活性，采用本专利技术的系统可以与多种显微、表征手段结 合形成纳米材料和器件的综合测试平台。本专利技术利用光纤将样品发光从发光局域导入光分析仪器(如光谱仪)进行光分析，或 者将光源(如激光器)发光导入到样品局域。光纤探头固定在纳米操纵器上，使我们能够 精确控制光纤探头与样品的相对位置(如图1、图2所示)。这个方法可以与显微仪器(例 如光学显微镜、SEM)、装有其他探头(例如金属探针)的纳米操纵器、X射线能谱探头(EDS)、 冷台、扫描台等多种仪器结合形成综合测试平台，进行纳米材料的综合表征与纳器件的测 量。本专利技术是通过如下技术方案实现的将光纤一端加工成光纤探头，其方法不仅限于将光纤末端切平或在光纤末端制作半球 透镜，半球透镜在收集光时可以增大收集立体角，在光激励时可以减小出射光的发散。将 光纤探头固定在纳米操纵器上，这样可以通过操纵纳米操纵器精确控制光纤探头与样品的相对位置。光纤另一端安装标准的光纤连接器(例如SMA905)以便与光分析仪器(例如光 谱仪)或光源(例如激光器)连接。受光纤数值孔径和半球透镜聚光能力(当探头上制作 了半球透镜时)等的限制，只有与光纤光轴方向夹角小于临界角e的光线才能耦合进光纤 并被光纤传输，大于临界角的光线则无法被光纤传输，因此光纤探头收集光具有一定的角 度分辨能力。同样，光激发时，从光纤探头出射的光线也具有一定的方向性。光纤可以但不仅限于选用石英光纤，可以根据需要选择具有不同通光波长、芯径、数 值孔径的光纤，根据需要将光纤一端加工成不同形式的光纤探头，另一端安装可以与后续 设备匹配连接的标准光纤连接器。为了将光纤探头固定在纳米操纵器上，我们将光纤探头穿入一小段金属管中并用胶粘 牢，再将一小段金属丝一端粘在金属管上，另一端插入纳米操纵器顶端的小孔。这样就在 纳米操纵器和光纤探头之间形成了刚性连接(如图3所示)。当与SEM联用时，为了在SEM真空腔内外导光，我们设计并制作了法兰，通过固定在 法兰上的通光螺母导光(如图4所示)。光纤探头不导电，为了避免探头荷电导致的SEM 成像畸变，光纤探头完全隐藏在光纤头部的一小段金属管中(如图3所示)。当与光学显微镜联用时，为了给光纤探头及纳米操纵器留下足够的空间，我们选用了 配备长焦物镜的光学显微镜。当该系统用作局域光激发时，光纤与光源(例如激光器)连接，光源波长应与光纤的 通光波长匹配以减小功率损耗。在显微镜下找到需要激发的样品，操纵纳米操纵器将光纤 探头移到需要激发的样品上方。 一般情况下，显微镜只能成二维像，为了使光纤探头与样 品在高度上足够接近，改变显微镜的聚焦，如果光纤探头与样品同时聚焦同时散焦，说明 他们在高度上足够接近，否则需要调整光纤探头的高度，使之最大程度地接近样品。然后 关闭电子束(SEM)或者成像光源(光学显微镜)，打开激发光源，就实现了对选定样品局 域的光激发。当该系统用作局域光收集及分析时，光纤与光分析仪器(例如光谱仪)连接，光纤探 头接近样品的方法与局域光激发的过程相同，在收集光之前，关闭显微镜成像光源(光学 显微镜)或电子束(SEM，阴极射线荧光除外)，然后打开光分析仪器进行测量。这个方法可以与显微仪器(例如光学显微镜、SEM)、装有其他探头(例如金属探针) 的纳米操纵器、X射线能谱探头(EDS)、冷台、扫描台等多种仪器结合形成综合测试平台， 进行纳米材料的综合表征与纳米器件的测量。6本专利技术的技术方案为一种基于光纤和纳米操纵器的纳米材料光学表征方法，其步骤为1) 将样品放入显微镜观测区内；2) 将光纤探头安装在纳米操纵器上；3) 操纵纳米操纵器，使光纤探头接近样品；4) 通过光纤探头对样品进行光激发或光接收。 所述光纤探头为半球透镜。所述将光纤探头安装在纳米操纵器上的方法为首先将所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光纤和纳米操纵器的纳米材料光学表征方法，其步骤为：１）将样品放入显微镜观测区内；２）将光纤探头安装在纳米操纵器上；３）操纵纳米操纵器，使光纤探头接近样品；４）通过光纤探头对样品进行光激发或光接收。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高旻，彭练矛，陈清，李成垚，丁晨，张立欢，赖嘉霖，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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