CN105466862B - 一种探测单根弯曲半导体纳米线中晶格畸变的方法 - Google Patents

一种探测单根弯曲半导体纳米线中晶格畸变的方法 Download PDF

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Abstract

本发明公开了一种基于二次谐波显微术探测单根弯曲半导体纳米线中晶格畸变的高灵敏度方法。在显微系统下，利用探针推动单根纳米线一端使之弯曲，从而产生不同程度的晶格畸变。同时，将一束激光聚焦至单根纳米线上一点A，并连续改变泵浦光偏振方向和纳米线长轴之间的夹角(偏振角θ)，测定二次谐波强度随偏振角θ的变化关系。在保持泵浦光聚焦位置在A点不变的情况下，随弯曲曲率逐渐增大，偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波强度之比显著减小。本发明提供了一种新型测定半导体纳米线晶格畸变的全光方法，相对于传统透射电镜法，其探测灵敏度提高近一个数量级，具有不损伤样品、可测块体材料，可适用于液态、低温等各种环境等优势。

Description

一种探测单根弯曲半导体纳米线中晶格畸变的方法
技术领域
本发明属于纳米光子学领域，涉及一种基于二次谐波显微术探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变的高灵敏度方法。
背景技术
作为微纳光子学器件和集成电路的基本元件，半导体纳米线近年来引起了研究者的极大兴趣。而纳米线在集成过程中不可避免有弯曲现象发生，由弯曲导致的晶格间距的变化所引起的荧光峰位置的改变已有不少研究，但是这种晶格畸变导致的二次谐波的变化至今还没有相关报导。另外，这种晶格畸变目前都是通过透射电子显微镜(TEM)来检测，不仅造成对样品的损伤，误差较大，并且TEM无法测定块状材料和已经集成的微纳光子学器件，尤其是对电子不透明基底上的器件。如2009年，在《Advanced Materials》，vol.21,4937-4941上的“在弯曲的氧化锌纳米线中电子和机械的耦合”(Electronic andMechanical Coupling in Bent ZnO Nanowires)一文中报道的TEM测试的弯曲纳米线中晶格间距的变化只有2％-3％，变化范围很小。
二次谐波是一种二阶非线性光学效应，即泵浦光转换成其二倍频光子的过程。近年来，利用其偏振特性，二次谐波提供了一种探测非中心对称材料晶体取向的方法。如在2015年，在《Nano Letters》，vol.15,3351-3357上的“通过二次谐波显微术精准确定单根硫化锌纳米线的晶格取向”(Precise Determination of the CrystallographicOrientations in Single ZnS Nanowires by Second-Harmonic GenerationMicroscopy)一文中报道了使用二次谐波的方法确定纳米线的晶体取向。另外，二次谐波对晶格间距变化所引起的二阶非线性极化率的改变也是非常敏感的，因此它提供了一种用来探测弯曲纳米线中晶格畸变的方法。
发明内容
针对现有技术中半导体纳米线中晶格畸变探测中对样品有损伤，以及误差较大的技术问题，本发明的目的在于一种基于二次谐波显微术探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变的高灵敏度方法，旨在解决以上技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)用泵浦脉冲激光经物镜聚焦，激发单根直的半导体纳米线上固定一点A，通过连续改变所述激光的偏振方向和纳米线长轴之间的夹角，即偏振角θ，测得所述A点二次谐波信号强度随所述偏振角θ变化的关系图；
(2)在显微系统下，利用钨丝探针推动所述直的纳米线一端，使步骤(1)所测半导体纳米线的所述A点处逐渐弯曲，并测得所述A点二次谐波信号强度随所述偏振角θ变化的关系图，过程中保持所述激光聚焦位置在所述A点不变；
(3)通过Origin拟合处理实验所得关系图，分析可得只有在偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波信号强度之比显著减小，且是单调减小，对半导体纳米线A点弯曲曲率变化最灵敏，因此可以由此二次谐波信号强度之比与弯曲曲率之间的关系来探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变情况。
优选地，所述的半导体纳米线为纤锌矿，直径为100nm-800nm，长度大于50μm，生长方向为沿c轴[001]生长；
优选地，所述的Origin拟合处理公式是由半导体纳米线的二阶非线性极化率和二次谐波强度计算公式推导所得。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)通过本发明所构思的以上技术方案，相比传统透射电子显微镜的方法(晶格间距的变化范围约为3％),本发明中偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波信号强度之比变化范围约为30％，因此能够灵敏探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变，且提高近一个数量级的灵敏度。另外，这种基于光学的二次谐波方法具有无损坏样品，装置结构简单，易于操作，重复性强，适用范围广的优点。
附图说明
图1为实施例1中氧化锌纳米线的X-射线衍射图谱。
图2为实施例1中所使用装置示意图。
图3为实施例1中单根氧化锌纳米线弯曲变化的光学图及所对应的测得的二次谐波信号强度随偏振角变化的关系图。白色圆环所示为泵浦光聚焦位置A点。Eω为泵浦光的偏振方向，θ为泵浦光偏振方向和纳米线长轴之间的夹角。光学图比例尺为20μm。
图4为实施例1所测的单根氧化锌纳米线在偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波信号强度之比随弯曲曲率变化的关系图。
图中的附图标记为：钨丝探针1、石英衬底2、物镜3、滤波片4、分色镜5、半波片7、泵浦脉冲激光6、分光镜8、光谱仪9、CCD 10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于二次谐波显微术探测单根弯曲半导体纳米线中晶格畸变的高灵敏度方法，包括以下步骤：
(1)如图2所示，泵浦脉冲激光6经物镜3聚焦，激发单根直的半导体纳米线上一点A，并测得A点二次谐波信号强度偏振角变化的关系图，如图3(a)所示，实验中保持泵浦光聚焦位置在A点不变；
(2)在显微系统下，利用钨丝探针推动纳米线一端，使步骤(1)所测半导体纳米线的A点处逐渐弯曲，并测得A点二次谐波信号强度随偏振角变化的关系图，如图3(b-c)所示；
(3)通过Origin拟合处理实验所得关系图，可以得到在纳米线偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波信号强度之比随弯曲曲率逐渐增大显著减小，且是单调减小，对半导体纳米线A点弯曲曲率变化最灵敏，因此可以由此二次谐波信号强度之比与弯曲曲率之间的关系来探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变情况。相比较透射电镜测试晶格间距变化范围约为3％，本发明二次谐波信号强度变化范围达到30％，显著提高晶格畸变的探测灵敏度，如图4所示。
所述的氧化锌纳米线直径为100nn-800nm，长度大于50μm，生长方向为沿c轴[001]生长。所述泵浦脉冲激光的波长约为820nm,脉宽为50fs，重复频率为80MHz。所述物镜为40倍，数值孔径为0.55。所述Origin拟合处理中公式是由氧化锌纳米线的二阶非线性极化率以及二次谐波强度计算公式推导所得，如下所示。
氧化锌的二阶非线性极化率：
二次谐波在纳米线晶轴各方向的偏振分量：
其中Ecx,Ecy和Ecz为泵浦脉冲激光在纳米线晶轴各方向的电场分量，ε0为真空介电常数，Pcx,Pcy和Pcz为二次谐波在纳米线晶轴各方向偏振分量。
二次谐波信号的总强度：
其中c为真空中光速，k为二次谐波波数，V为泵浦脉冲激光作用在纳米线上的体积。
拟合处理直的氧化锌纳米线二次谐波强度随偏振角度改变的关系图时dij各分量为氧化锌二阶非线性极化率的标准值，拟合处理弯曲时保持其中一个变量恒定，其他分量随拟合改变。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)用泵浦脉冲激光经物镜聚焦，激发单根直的半导体纳米线上固定一点A，通过连续改变所述激光的偏振方向和纳米线长轴之间的夹角，即偏振角θ，测得A点二次谐波信号强度随所述偏振角θ变化的关系图；
(2)在显微系统下，利用钨丝探针推动所述直的半导体纳米线一端，使步骤(1)所测半导体纳米线的所述A点处逐渐弯曲，并测得所述A点二次谐波信号强度随所述偏振角θ变化的关系图，过程中保持所述激光聚焦位置在所述A点不变；
(3)通过Origin拟合处理实验所得关系图，分析可得偏振角θ＝90°和θ＝0°时的二次谐波信号强度之比，随所述A点处的弯曲曲率增加而显著减小，且是单调减小，对半导体纳米线A点弯曲曲率变化最灵敏，因此可以由此二次谐波信号强度之比与弯曲曲率之间的关系来探测单根弯曲半导体纳米线中的晶格畸变情况。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的半导体纳米线为纤锌矿，直径为100nm-800nm，长度大于50μm，生长方向为沿c轴[001]生长。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Origin拟合处理的公式是由半导体纳米线的二阶非线性极化率和二次谐波强度计算公式推导所得。
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