高时空分辨多模态载流子动力学测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高时空分辨多模态载流子动力学测量系统及测量方法，包括：飞秒激光器发射近红外飞秒激光；波长选择光路对近红外飞秒激光的波长进行选择；第一空间光路，用于激发样品表面启动超快载流子动力学过程；第二空间光路，用于对样品进行超快扫描成像或激发产生瞬态阴极荧光；阴极荧光收集器，用于收集样品表面激发的瞬态阴极荧光；分光光谱仪，用于对阴极荧光收集器收集的瞬态阴极荧光进行分光；光学CCD，用于对经分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光进行时间积分的光谱测量；时间分辨荧光探测器，用于对经分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光光谱进行测量；扫描电子显微镜及扫描电子图像探测系统，用于探测时间分辨的扫描二次电子图像。电子图像。电子图像。

【技术实现步骤摘要】
高时空分辨多模态载流子动力学测量系统及测量方法


[0001]本专利技术是关于一种高时空分辨多模态载流子动力学测量系统及测量方法，涉及光电功能材料(如纳米半导体材料等)的能量载流子动力学的性能表征及新型高性能光电器件开发


技术介绍

[0002]当前各种新型低维光电功能材料尤其是纳米半导体材料方兴未艾，相应的光电器件也被广泛开发。对于大多数低维光电功能材料，其光电子器件在服役过程中的性能主要取决于其激发态能量载流子的动力学过程，比如激发态的电子、空穴和激子的传输、捕获、能量弛豫、复合发光等，并且这些动力学过程大多发生在纳秒至皮秒乃至飞秒时间尺度，以及微米至纳米空间尺度。只有借助高时空分辨的能量载流子动力学测量分析技术，才可以直接观察单个纳米结构单元光电材料不同位置的激发态载流子动力学过程，从而理解纳米尺度的结构、界面、缺陷等对载流子动力学过程的影响，促进新型高性能的纳米光电材料与器件的设计和开发，如发光器件、光电传感器、光伏器件、热电器件、光诱导浮栅场效应晶体管等。因此，发展超高时空间分辨的能量载流子动力学测量与分析技术，既是开发相关新型功能器件和应用的关键，同时也是一项非常具有挑战性的任务。
[0003]对于光电功能材料中激发态载流子动力学的研究，目前所采用的主要是时间分辨的光致发光光谱和时间分辨的高次谐波谱等基于皮秒、飞秒激光的时间分辨超快光谱分析技术。然而，这些超快光谱学技术测得的大多只是载流子(如电子-空穴对或激子等)的复合发光动力学信息，无法直接测得电子和空穴等电荷载流子的分离、传输、非辐射复合等动力学信息。另一方面，由于受激光波长衍射极限的限制，激光光斑大多只能会聚到微米量级，使得其空间分辨率受到很大的限制，测得的都是大面积范围的平均动力学信息，使其在低维纳米尺度光电功能材料的载流子动力学研究中举步维艰。尤其是对某些非均匀的低维光电材料体系，如纳米尺度的半导体异质结、缺陷、量子阱以及金属纳米超结构材料等，传统的时间分辨超快光谱技术就显得无能为力了。
[0004]皮秒时间分辨的超快阴极荧光是近期发展起来的一种具有高空间分辨率的能量载流子发光动力学探测技术，大大突破了传统超快光谱探测技术的空间分辨局限。超快阴极荧光技术相比于传统超快光谱学技术虽然在空间分辨率上得到了显著提升，但是该技术测得的同样只是电子-空穴对或激子等的复合发光动力学信息，无法直接测量电子、空穴等电荷载流子的分离、传输、非辐射复合等动力学过程，从而无法全面地给出样品激发态能量载流子的动力学信息。
[0005]超快扫描电子显微镜技术是近十年左右发展起来的另外一种具有高时空分辨的能量载流子动力学测量手段。由于扫描二次电子成像的衬度与对比度对样品表面电荷态的分布非常敏感，且超快电子探针具备纳米尺度的束斑，从而可以实现对样品表面激发态载流子动力学过程的超高时空分辨成像。但是由于其利用的是超快扫描二次电子成像对样品表面电荷态敏感的特点，因此只能探测电子、空穴等电荷载流子的分离、传输、非辐射复合
等动力学过程，而无法给出电子-空穴对、激子等的复合发光动力学信息，同样也无法得到样品全面的激发态能量载流子的动力学信息。
[0006]综上所述，目前已有的针对低维光电功能材料激发态能量载流子动力学的测量手段，要么无法同时满足空间分辨率和时间分辨率的要求，要么只能测量其中一种类型能量载流子的动力学过程，无法实现在超高时间和空间尺度下同时对激发态的电荷类型载流子(如电子、空穴等)以及中性载流子(如激子等)的超快动力学过程进行测量。而在超高时空尺度实现对光电功能材料所有类型能量载流子动力学的探测和研究对于开发新型高性能的纳米光电材料与器件至关重要。因此，开发具有超高时空分辨率且能够同时实现对电荷类型(如电子、空穴等)和中性类型(如激子等)的能量载流子动力学过程进行测量的技术，一直是光电功能材料超快能量载流子动力学研究领域面临的一个重要挑战。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种集超快扫描二次电子成像与超快阴极荧光探测于一体的高时空分辨多模态能量载流子动力学测量系统及测量方法，能够实现在超高时空分辨尺度对光电功能材料所有类型的能量载流子动力学进行测量和分析。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，该系统包括：高重频飞秒激光器，用于发射近红外飞秒激光；波长选择光路，用于对近红外飞秒激光的波长进行选择；第一空间光路，用于将某一选定波长的光脉冲导入扫描电子显微镜的样品室作为泵浦光，激发样品表面启动超快载流子动力学过程；第二空间光路，用于将另一选定波长的光脉冲导入扫描电子显微镜的电子枪激发光阴极产生脉冲光电子，用于对样品进行超快扫描成像或激发产生瞬态阴极荧光；阴极荧光收集器，用于收集样品表面激发的瞬态阴极荧光；分光光谱仪，用于对所述阴极荧光收集器收集的瞬态阴极荧光进行分光；光学CCD，用于对经所述分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光进行时间积分的光谱测量；时间分辨荧光探测器，用于对经所述分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光光谱进行测量；扫描电子显微镜及扫描电子图像探测系统，用于探测时间分辨的扫描二次电子图像。
[0010]上述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，优选地，所述波长选择光路包括第一频率变换装置、第一二向色镜、第二频率变换装置和第二二向色镜；所述高重频飞秒激光器发出的飞秒激光分束后，分束的后经所述第一频率变换装置进行频率变换后产生二次倍频光，二次倍频光发射到所述第一二向色镜；经所述第一二向色镜出射的光进行分束后的一束由所述第一空间光路导入扫描电子显微镜的样品室，另一束通过所述第二频率变换装置频率变换后产生紫外飞秒脉冲，紫外飞秒脉冲经所述第二二向色镜发射并经所述第二空间光路导入扫描电子显微镜的电子枪。
[0011]上述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，优选地，所述第一空间光路包括若干反射镜及第一聚焦透镜；某波长的光脉冲经由若干反射镜构成的一维时间迟线经反射镜反射到所述第一聚焦透镜聚焦进入样品室，其中，一维时间延迟线采用一维电控平移台控制各反射镜运动，通过控制该时间延迟线调节泵浦激光脉冲和探测光电子脉冲达到样品的时间差。
[0012]上述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，优选地，所述第二空间光路包
括反射镜和第二聚焦透镜，经第二二向色镜透射的光脉冲经反射镜后通过所述第二聚焦透镜聚焦进入扫描电子显微镜的电子枪。
[0013]上述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，优选地，所述第一空间光路和第二空间光路还分别设置有光斑位置监测系统，经所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜出射的光均经一分束镜发射到所述光斑位置监测系统，使得对导入到电子枪的阴极和进入样品腔之前的光均进行光斑位置监测。
[0014]上述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，优选地，所述扫描电子显微镜样品室腔体的后壁上方设置成第一光学窗口，所述第一光学窗口的电子束聚焦在样品中心位置的连线与电子束的光轴成大约50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于该系统包括：高重频飞秒激光器，用于发射近红外飞秒激光；波长选择光路，用于对近红外飞秒激光的波长进行选择；第一空间光路，用于将某一选定波长的光脉冲导入扫描电子显微镜的样品室作为泵浦光，激发样品表面启动超快载流子动力学过程；第二空间光路，用于将另一选定波长的光脉冲导入扫描电子显微镜的电子枪激发光阴极产生脉冲光电子，用于对样品进行超快扫描成像或激发产生瞬态阴极荧光；阴极荧光收集器，用于收集样品表面激发的瞬态阴极荧光；分光光谱仪，用于对所述阴极荧光收集器收集的瞬态阴极荧光进行分光；光学CCD，用于对经所述分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光进行时间积分的光谱测量；时间分辨荧光探测器，用于对经所述分光光谱仪分光后的瞬态阴极荧光光谱进行测量；扫描电子显微镜及扫描电子图像探测系统，用于探测时间分辨的扫描二次电子图像。2.根据权利要求1所述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于，所述波长选择光路包括第一频率变换装置、第一二向色镜、第二频率变换装置和第二二向色镜；所述高重频飞秒激光器发出的飞秒激光分束后，分束的后经所述第一频率变换装置进行频率变换后产生二次倍频光，二次倍频光发射到所述第一二向色镜；经所述第一二向色镜出射的光进行分束后的一束由所述第一空间光路导入扫描电子显微镜的样品室，另一束通过所述第二频率变换装置频率变换后产生紫外飞秒脉冲，紫外飞秒脉冲经所述第二二向色镜发射并经所述第二空间光路导入扫描电子显微镜的电子枪。3.根据权利要求2所述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于，所述第一空间光路包括若干反射镜及第一聚焦透镜；某波长的光脉冲经由若干反射镜构成的一维时间迟线经反射镜反射到所述第一聚焦透镜聚焦进入样品室，其中，一维时间延迟线采用一维电控平移台控制各反射镜运动，通过控制该时间延迟线调节泵浦激光脉冲和探测光电子脉冲达到样品的时间差。4.根据权利要求3所述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于，所述第二空间光路包括反射镜和第二聚焦透镜，经第二二向色镜透射的光脉冲经反射镜后通过所述第二聚焦透镜聚焦进入扫描电子显微镜的电子枪。5.根据权利要求4所述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于，所述第一空间光路和第二空间光路还分别设置有光斑位置监测系统，经所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜出射的光均经一分束镜发射到所述光斑位置监测系统，使得对导入到电子枪的阴极和进入样品腔之前的光均进行光斑位置监测。6.根据权利要求1所述的高时空分辨多模态载流子动力学测量系统，其特征在于，所述扫描电子显微镜样品室腔体的后壁上方设置成第一光学窗口，所述第一光学窗口的电子束聚焦在样品中心位置的连线与电子束的光轴成...

【专利技术属性】
技术研发人员：付学文，
申请(专利权)人：付学文，
类型：发明
国别省市：