诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜制造技术

本发明专利技术涉及一种诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜，属于显微成像领域。脉冲激光激发及探测部分和信号收集部分置于同一光学平台上，脉冲激光激发及探测部分中的计算机一和探测信号收集部分中的计算机二置于光学平台外。优点是采用波长可调谐飞秒激光器、二向色镜和工作距离较长的高倍显微物镜对金刚石对顶砧中施加压力的样品进行泵浦激发，确保了在高压条件下对半导体中载流子的双光子激发，提高了载流子的成像深度；利用波长为780 nm的飞秒激光器作为探测光对样品中的载流子进行探测，配合激光扫描系统，通过改变扫描振镜的扫描角度，实现了对载流子的空间扫描，能够得到从而获得载流子在时间和空间上的扩散规律。的扩散规律。的扩散规律。

【技术实现步骤摘要】
诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜


[0001]本专利技术属于显微成像领域，具体涉及一种基于双光子激发飞秒瞬态发光技术，适于高压条件下诊断半导体中载流子三维输运机制的瞬态显微成像系统。

技术介绍

[0002]载流子作为半导体中的一种瞬时物种在基于半导体的各种电子和光电子器件当中发挥了极其重要的作用，其扩散过程的探测一直是半导体物理领域中的一个重要的研究课题。为了在当前信息领域的竞争中占据优势地位，必须加强半导体材料中载流子扩散的认知，并实现扩散速率等信息的测量。如果能直观的探测到载流子的扩散过程，实现扩散过程的可视化，那必将促进人们对载流子扩散机理方面的深入理解。利用载流子复合发光的基本原理，在半导体中通过光激励的方式获得载流子，探测这些光生载流子在半导体中空间不同位置处的复合发光动力学。通过比对不同位置处光生载流子复合发光动力学的差异，利用载流子的扩散速率方程，就可以计算出载流子的扩散长度和扩散速率，实现载流子的空间扩散过程的可视化探测。
[0003]传统的瞬态发光光谱技术，基于单光子激发，诱导载流子产生。因此主要用于研究半导体薄膜中载流子在二维空间平面上的扩散机制。由于满足跃迁定则的单光子穿透深度有限，因此在只能在有限的深度下开展半导体中载流子的三维扩散研究，对载流子扩散机制的研究帮助有限。此外载流子的空间扩散行为受到半导体材料的晶体结构，声子散射等因素的影响，仅在常温和常压下开展载流子扩散过程的研究得到的结果也十分有限。
[0004]故当前半导体中载流子的三维扩散行为的研究陷入瓶颈，背后的物理机制尚未阐述清楚或存在一定的争议。压力是调控物质属性的一个重要参量，可以改变半导体的电子能态和晶体结构，还能诱导半导体形成新性质的高压新相，揭示出许多常压下不曾有过的新现象和新规律。故高压技术的引入有助于阐明或解决常压下不清楚或有争议的问题，为了保证空间分辨率接近衍射极限，常采用高倍物镜，限制了物镜的工作距离。而为了保证样品处在高压条件下，人们常常使用金刚石对顶砧对样品施加压力。该系统有一定的厚度，常规的高倍物镜的工作距离较短，无法将光束汇聚到金刚石对顶砧的微腔当中，激励和探测其中的样品。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜，是基于双光子激发飞秒瞬态发光技术适于高压条件下诊断半导体中载流子三维输运机制的瞬态显微成像系统，利用飞秒激光技术，配合使用激光扫描系统、光谱仪以及CCD相机，实现了高压条件下载流子的三维探测，以此获得载流子的运动规律。
[0006]本专利技术采取的技术方案是，由脉冲激光激发及探测部分和探测信号收集部分组成，其中脉冲激光激发及探测部分和信号收集部分置于同一光学平台上，脉冲激光激发及探测部分中的计算机一和探测信号收集部分中的计算机二置于光学平台外；脉冲激光激发
及探测部分中的扫描振镜信号输入端口a与计算机一信号输出端口b连接，CCD相机一的信号输出端口d与计算机一的信号输入端口c连接；探测信号收集部分中的光谱仪信号输出端口e与计算机二的信号输入端口f连接，CCD相机二的信号输出端口h与计算机二的信号输入端口g连接，探测信号收集部分位于脉冲激光激发及探测部分的左后方。
[0007]本专利技术所述脉冲激光激发及探测部分包括波长可调谐飞秒激光器、二向色镜、显微物镜、高压对顶砧、780nm脉冲激光器、800nm双面抛光介质膜全反射镜、扫描振镜、扫描透镜、1：1分束片一、CCD相机一、套筒透镜和计算机一，其中扫描振镜、扫描透镜、1：1分束片一、套筒透镜、二向色镜、显微物镜、高压对顶砧自左至右排列，并位于同一水平中心线上，波长可调谐飞秒激光器和二向色镜自后至前顺序排列，780 nm脉冲激光器位于800nm双面抛光介质膜全反射镜的右方，800nm双面抛光介质膜全反射镜位于扫描振镜的后方，CCD相机一位于1：1分束片一的后方，扫描振镜设有信号输入端口a，CCD相机一设有信号输出端口d，计算机一设有信号输出端口b、信号输入端口c。
[0008]本专利技术所述显微物镜采用100倍奥林巴斯显微物镜。
[0009]本专利技术通过计算机一来控制扫描振镜的扫描角度，以此追踪载流子在不同方向上的扩散。
[0010]本专利技术所述探测信号收集部分包括光谱仪、光阑、1：1分束片二、CCD相机二和聚焦透镜，其中光谱仪、光阑、1：1分束片二、聚焦透镜自后至前顺序排列、且位于同一水平中心线上，1：1分束片二和CCD相机二自左至右顺序排列、且位于同一水平中心线上，光谱仪设有信号输出端口e，CCD相机二设有信号输出端口h，计算机二设有信号输入端口f、信号输入端口g。
[0011]本专利技术所述光谱仪中包括光电倍增管。
[0012]本专利技术的优点是：首先采用波长可调谐飞秒激光器LightConversion、二向色镜和工作距离较长的高倍显微物镜（100倍奥林巴斯显微物镜（SLMPLN100X）），对金刚石对顶砧中施加压力的样品进行泵浦激发，确保了在高压条件下对半导体中载流子的双光子激发，提高了载流子的成像深度；其次，利用波长为780 nm的飞秒激光器作为探测光对样品中的载流子进行探测，配合扫描振镜、扫描透镜、套筒透镜、显微物镜构成的激光扫描系统，通过改变扫描振镜的扫描角度，实现了对载流子的空间扫描；第三，1：1分束片一和CCD相机一的使用，能够确定样品是否放置在物镜的焦点处，从而确保在样品上产生最小的光斑，1：1分束片二和CCD相机二的使用，能够观测到探测光探测样品的位置，实现了在激发和探测载流子过程中的可视化，光谱仪的使用，能够得到从而获得载流子在时间和空间上的扩散规律，对载流子扩散行为的物理机制有了更深一步的理解。
附图说明
[0013]图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术脉冲激光激发及探测部分Ⅰ的结构示意图；图3是本专利技术探测信号收集部分Ⅱ的结构示意图。
具体实施方式
[0014]如图1所示，由脉冲激光激发及探测部分Ⅰ和探测信号收集部分Ⅱ组成，其中脉冲
激光激发及探测部分Ⅰ和信号收集部分Ⅱ置于同一光学平台上，脉冲激光激发及探测部分Ⅰ中的计算机一12和探测信号收集部分Ⅱ中的计算机二19置于光学平台外；脉冲激光激发及探测部分Ⅰ中的扫描振镜7信号输入端口a与计算机一12信号输出端口b连接，CCD相机一10的信号输出端口d与计算机一12的信号输入端口c连接；探测信号收集部分Ⅱ中的光谱仪13信号输出端口e与计算机二18的信号输入端口f连接，CCD相机二16的信号输出端口h与计算机二19的信号输入端口g连接，探测信号收集部分Ⅱ位于脉冲激光激发及探测部分Ⅰ的左后方。
[0015]如图2所示，所述脉冲激光激发及探测部分Ⅰ包括波长可调谐飞秒激光器（Light Conversion）1、二向色镜2、显微物镜3、高压对顶砧4、780nm脉冲激光器5、800nm双面抛光介质膜全反射镜6、扫描振镜7、扫描透镜8、1：1分束片一9、CCD相机一10、套筒透镜11和计算机一12，其中扫描振镜7、扫描透镜8、1：1分束片一9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜，其特征在于：由脉冲激光激发及探测部分和探测信号收集部分组成，其中脉冲激光激发及探测部分和信号收集部分置于同一光学平台上，脉冲激光激发及探测部分中的计算机一和探测信号收集部分中的计算机二置于光学平台外；脉冲激光激发及探测部分中的扫描振镜信号输入端口a与计算机一信号输出端口b连接，CCD相机一的信号输出端口d与计算机一的信号输入端口c连接；探测信号收集部分中的光谱仪信号输出端口e与计算机二的信号输入端口f连接，CCD相机二的信号输出端口h与计算机二的信号输入端口g连接，探测信号收集部分位于脉冲激光激发及探测部分的左后方。2.根据权利要求1所述的诊断高压下载流子三维扩散过程的双光子瞬态荧光显微镜，其特征在于：所述脉冲激光激发及探测部分包括波长可调谐飞秒激光器、二向色镜、显微物镜、高压对顶砧、780nm脉冲激光器、800nm双面抛光介质膜全反射镜、扫描振镜、扫描透镜、1：1分束片一、CCD相机一、套筒透镜和计算机一，其中扫描振镜、扫描透镜、1：1分束片一、套筒透镜、二向色镜、显微物镜、高压对顶砧自左至右排列，并位于同一水平中心线上，波长可调谐飞秒激光器和二向色镜自后至前顺序排列，780 nm脉冲激光器位于8...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英惠，王小婷，隋宁，王蕾，张佳旗，邹勃，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：