一种薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法及装置制造方法及图纸

一种薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法及装置，属于测量技术领域。所要解决的技术问题是提供具有较高灵敏度和分辨率、利用微波无接触探测的一种检测薄层微晶介质材料光电子特性方法及其装置。其技术方案是：微波源发出两路微波，一路作为参考信号等幅输入两个平衡混频器，另一路作为探测信号进入微波谐振腔；用激光照射微波谐振腔中的薄层微晶介质材料；从微波谐振腔中反射出的探测信号输入到两个平衡混频器中；平衡混频器将参考信号与探测信号混频后，利用相敏技术分离出微波吸收信号和色散信号，将吸收信号和色散信号功率的变化转化为辅出电压的变化；输出电压变化输入到计算机中，得到自由和束缚光电子信号的幅度衰减曲线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种介质材料的检测方法及实现这种方法的装置，属于测量

技术介绍
通常应用中感兴趣的卤化银感光薄层材料和硫化锌、氧化锌发光介质薄层材料中的微晶都具有半导体结构，在受光激发后晶体价带光电子跃迁到导带作近自由运动，在运动的过程中或者与材料晶体表面的陷阱结合实现光信息的记录，或者释放出一定能量弛豫到晶体禁带中的储能能级，然后间隔一段时间后通过光辐射的形式返回价带，实现余辉发光。光生载流子的运动规律是决定感光和发光机制的主要因素；材料感光和发光的效率能在光生载流子寿命变化中反映出来。通过对材料中载流子衰减寿命的测量，就能够获得不同条件(如温度、浓度、压强、时间)和材料不同组成成分(如杂质的不同种类及含量)对感光潜影形成和余辉发光过程产生的影响，所以通过研究光生载流子的瞬态行为来研究薄层介质材料的机理和实际应用效果有十分重要的意义。如有一种可实时检测光生载流子衰减特性的方法，则薄层介质材料的工艺改进和提高就有据可依；应用在材料生产流程中，就可通过实时监测材料质量来及时、快速调整工艺，从而节省大量时间和人力物力。现有测量材料中载流子寿命方法大致可分为接触测量和非接触测量两类。接触法的特点是载流子参与电路的导通过程，通过测量导通电路的宏观参数变化来获得载流子信息。目前较典型的方法有(1)Haynes-Shockley法和Morton-Haynes法这两种方法通过探针作为电极与样品晶体接触，当样品中瞬时产生大量过剩载流子时，通过检测电流来获得载流子寿命的信息，是较简单的测量手段。(2)光导-光电磁测量法这种方法是通过光导效应和光电磁效应的联合来求载流子寿命，利用脉冲光瞬间产生大量的过剩载流子，通过测量介质材料电导的变化以及光电磁效应产生的充电短路电流(光照时样品晶体外部短路所测得的电流)来求载流子寿命。这种方法适于测量单一载流子寿命。(3)光导衰减法这种方法是在样品两端加上偏置电压，通过测量样品中的电流变化来获得光电导的信息，它的时间分辨率可达10-7秒。接触测量必须在待测样品上连接电极，构成闭合电路，测量电路中的电学量获得载流子寿命的信息。这种方法在用于测量时，需要较大的晶体以便与电极连接，而较大的晶体与实际应用的薄层材料中微晶的光电子行为有很大区别；在实际应用时微晶离散地分布于介质薄层中，虽然每个晶粒中都产生光电子，但其相互之间是独立的，整体上呈绝缘性质，无法形成回路电流。因此，接触测量法测量分散体系的感光和发光薄层介质材料的光电子特性是很难实现的。另一种方法——非接触法是以电磁场理论为基础，其测量依据的基本原理都是共振吸收效应。电磁场通过与自由载流子共振而被吸收，这种吸收造成电磁场性质(振幅和相位)的变化，通过测量场的变化来获得介质中载流子的行为信息。特点是载流子直接与电场相互作用，不参与电路导通过程，通过电磁场的参数变化来获得载流子信息。主要途径有(1)测量反射波当介质受到外界扰动时，辐射到介质上的微波场将要受到影响，通过接受反射微波场的功率变化就可获得介质的内部信息。比如利用Δp＝AΔσ，Δp微波反射功率的变化，Δσ为电导率的增加，可以获得介质的电导率。(2)测量透射波；(3)微波谐振腔参数测量。这种方法是将样品放入微波谐振腔中，样品载流子的影响来改变了腔的谐振状态，通过腔参数的变化获得样品的信息。非接触法可以用于测量分散体系薄层介质材料的光生载流子瞬态行为，但是目前现有的技术无论是从测量灵敏度，还是从时间分辨率方面来看，还不能满足研究感光和发光材料载流子行为的要求，无法捕获光生载流子快速变化(ns量级)的时间信号，尤其是不能区分不同光生载流子——自由和浅束缚光电子的行为，而检测两种载流子行为对于了解晶体中不同电子陷阱的情况及其作用是极为重要的。并且，目前国内外已报道的以非接触法为原理的仪器其设计的着眼点都不是应用在卤化银感光薄层微晶材料和硫化锌、氧化锌等发光薄层微晶介质材料光生载流子动力学行为的检测方面。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，研制提供具有较高灵敏度和分辨率、利用微波在薄层样品上的无接触探测、并通过相敏装置区分不同载流子的行为，获得准确的载流子衰减行为和寿命参数的一种检测薄层微晶介质材料光电子特性方法及其实现这种方法的装置。解决上述技术问题的技术方案是 一种薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法，它通过检测激光照射下薄层微晶介质材料的微波反射波，利用相敏装置获得材料光生载流子引起的反射波吸收和色散信号的变化，即对应着自由光电子和束缚光电子的衰减过程，由衰减曲线计算所测薄层微晶介质材料的光电子寿命，其特别之处是采用以下步骤进行a.将薄层微晶介质材料样品通过进光孔放置在微波谐振腔中；b.微波源发出的微波经过隔离器并被功率分配器分成两路，其中一路经过移相器后作为参考信号等幅输入两个平衡混频器，另一路作为探测信号，经过衰减器和环行器，进入微波谐振腔；c.利用快脉冲激光照射微波谐振腔中的薄层微晶介质材料；d.微波谐振腔中的探测微波的反射波为探测信号，它从微波谐振腔输出后经过环行器和功率分配器，输入两个平衡混频器；e.两个平衡混频器将参考信号与探测信号混频后，利用相敏技术分离出微波吸收信号和色散信号，将吸收信号和色散信号功率的变化转化为输出电压的变化；f.将输出电压经过前置放大系统后由数字示波器记录下输出电压变化，然后输入到计算机中，得到自由和束缚光电子信号的幅度衰减曲线。上述薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法，所述的两个平衡混频器的参考信号有90°位相差，输入到两个平衡混频器的探测信号为等幅同相信号。上述薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法，所述的吸收信号的变化对应材料自由光电子的衰减，色散信号的变化对应束缚光电子的衰减。上述薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法，所述的微波源的频率为(Q-band)35.4GHz，采用TE103振荡模式，激光脉冲宽度35ps。一种实现上述薄层微晶介质材料光电子特性检测方法的装置，它由激光照射部分、微波相敏检测部分、数据采集处理部分组成；激光照射部分由激光器和微波谐振腔组成，激光器输出的激光束由微波谐振腔的进光孔进入微波谐振腔，微波谐振腔与微波相敏检测部分相连接；微波相敏检测部分由微波输出电路、混频电路、探测信号电路组成，微波输出电路由微波源、隔离器、功率分配器依次连接，混频电路由两个平行混频器组成，它们分别包括隔离器、混频器和隔离器、混频器、移相器，探测信号电路由衰减器、环形器、功率分配器依次连接组成，微波输出电路的功率分配器分别与混频电路的隔离器、探测信号电路的衰减器相连接，混频电路的另一端与探测信号电路的功率分配器相连接，探测信号电路的环形器与微波谐振腔相连接，在微波输出电路的功率分配器与混频电路的隔离器之间连接有移相器；数据采集处理部分由前置放大器、示波器组成，前置放大器的输入端接微波相敏检测部分的混频器的输出信号端，前置放大器的输出端接示波器。一种实现上述薄层微晶介质材料光电子特性检测方法的装置，它的微波谐振腔采用电偶极子和磁偶极子的组合，进光孔开于微波谐振腔的侧壁，微波谐振腔采用TE103振荡模式微波谐振腔，长L＝13.416毫米，宽w＝15.000毫米，高h＝3.556毫米，微波谐振腔内表面镀层银。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄层微晶介质材料的光电子特性检测方法，它通过检测激光照射下薄层微晶介质材料的微波反射波，利用相敏装置获得材料光生载流子引起的反射波吸收和色散信号的变化，即对应着自由光电子和束缚光电子的衰减过程，由衰减曲线计算所测薄层微晶介质材料的光电子寿命，其特征在于采用以下步骤进行：ａ．将薄层微晶介质材料样品（２１）通过进光孔（２５）放置在微波谐振腔（５）中；ｂ．微波源发出的微波经过隔离器并被功率分配器分成两路，其中一路经过移相器后作为参考信号等幅输入两个平衡混频器，另一路作为探测信号，经过衰减器和环行器，进入微波谐振腔；ｃ．利用快脉冲激光照射微波谐振腔中的薄层微晶介质材料；ｄ．微波谐振腔中的探测微波的反射波为探测信号，它从微波谐振腔输出后经过环行器和功率分配器，输入两个平衡混频器；ｅ．两个平衡混频器将参考信号与探测信号混频后，利用相敏技术分离出微波吸收信号和色散信号，将吸收信号和色散信号功率的变化转化为输出电压的变化；ｆ．将输出电压经过前置放大系统后由数字示波器记录下输出电压变化，然后输入到计算机中，得到自由和束缚光电子信号的幅度衰减曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓苇，赖伟东，杨少鹏，张连水，傅广生，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]