CN105973942A - 一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超快动力学技术领域，尤其涉及一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置。同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置包括泵浦探测微区信号采集光路、分光片、物镜、聚合物分光薄片、样品台和成像CCD，其特征在于，所述样品台和聚合物分光薄片之间设置有针卡，该针卡用于向样品台上的样品施加电压。同时还提供了同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的方法。本发明通过针卡相样品施加电压，实现了原位施加电学栅压调控，同步实现电调控下的对微区样品瞬态吸收谱测量，进一步探知微纳器件工作状态下的载流子弛豫过程信息。
Description
技术领域
本发明涉及超快动力学技术领域，尤其涉及一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置及方法。
背景技术
近年来，二维材料如石墨烯、二硫化钼等，因具有优异的电学，光学，力学等各方面优异的性能以及潜在的应用前景而广受关注。基于不同材料各自不同的优异性质，多材料体系结合，也就是基于其异质结的逻辑器件和光伏器件最近一直其潜在应用方向的研究热点。
基于飞秒激光器的泵浦探测技术，可以通过研究界面载流子动力学过程从而探知影响其应用的具体机制，进一步为应用提供依据和参考。电学调控与测量可以通过纳米材料电学器件其在电场下的行为来表征其内部的载流子输运、转移等一系列行为，从而为此类材料的进一步应用提供依据与参考。
但是现有技术中，不能实现同步原位施加电学栅压调下的微区材料瞬态吸收谱采集。
针对上上述问题，提出一种能够实现同步原位施加电学栅压调下的微区材料瞬态吸收谱采集的装置。
发明内容
本发明的目的在于提出一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，能够解决现有技术中不能实现同步原位施加电学栅压调下的微区材料瞬态吸收谱采集。
本发明的另一个目的在于提出一种使用上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，包括泵浦探测微区信号采集光路、分光片、物镜、聚合物分光薄片、样品台和成像CCD，其中，所述样品台和聚合物分光薄片之间设置有针卡，该针卡用于向样品台上的样品施加电压。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述针卡包括针尖、印刷电路板和引线；
所述印刷电路板中间设置有中空的透光区域；
所述针尖的尾端设置在印刷电路板上并与引线连接，针尖的前端位于透光区域内并与样品上的电极电连接；
所述引线并入BNC接口与源表连接。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述针尖的直径为45μm，针尖插入光路长度为4-5mm。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述针尖与样品微区处的距离为2mm。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，其特征在于，所述样品的尺寸为10-20μm，所述样品上金电极的尺寸为500-1000μm。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述样品台上通过液体银胶固定有导电基座。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述导电基座为预先焊好线的导电铁皮。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述样品的硅基底通过导电铜胶固定在导电基座上。
作为上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的一种方法，所述成像CCD、聚合物分光薄片、样品台和针卡均设置在相应的三维精密螺旋平移台上，并在三维精密螺旋平移台的带动下移动。
一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量方法，该方法采用如以上所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，包括以下步骤：
步骤A：在泵浦探测光路调试完毕，激光光斑与样品位置确定可获得稳定信号之后，插入聚合物分光薄片，调整成像镜筒的放大倍数，以及聚合物分光薄片、成像镜筒的位置与聚焦效果，以获取最佳分光成像效果；
步骤B：在聚合物分光薄片和样品台之间插入针卡，并调整针卡的针尖位置，使其处于设定的位置，将物镜放大倍数调大至合适倍数，并将成像区域选中为电极为中心轻旋焦距方向螺旋位移轴，直至成像系统中针尖与电极在同一焦面，再对针尖的位置进行调整，使针尖与样品上的电极相接触；
步骤C：开启源表，同时避免源表开关电流击穿样品，连接导电基座与针卡；
步骤D：采集此时的瞬态吸收谱，并对样品聚焦效果进行轻微优化；
步骤E：更改电压大小，获取样品一系列同步电压调控下的瞬态吸收谱数据。
本发明的有益效果为：本发明通过针卡向样品施加电压，实现了原位施加电学栅压调控，同步实现电调控下的对微区样品瞬态吸收谱测量，进一步探知微纳器件工作状态下的载流子弛豫过程信息。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的针卡的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的样品的电极结构示意图；
图4是本发明具体实施方式提供的单层石墨烯在不同栅压调控下的采集到的瞬态吸收谱。
其中：
1：泵浦探测微区信号采集光路；2：分光片；3：物镜；4：聚合物分光薄片；5：样品台；6：成像CCD；7：针卡；8：电极；9：三维精密螺旋平移台；
71：针尖；72：印刷电路板；73：引线；
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1至图4所示，本实施方式提供了一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，尤其是一种基于泵浦探测技术的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其包括泵浦探测微区信号采集光路1、分光片2、物镜3、聚合物分光薄片4、样品台5和成像CCD6，其中，样品台5和聚合物分光薄片4之间设置有针卡7，该针卡7用于向样品台5上的样品施加电压。
在本实施方式中，通过针卡7向样品施加电压，实现了原位施加电学栅压调控，同步实现电调控下的对微区样品瞬态吸收谱测量，进一步探知微纳器件工作状态下的载流子弛豫过程信息。
具体的，针卡7包括针尖71、印刷电路板72和引线73，印刷电路板72中间设置有中空的透光区域。其操作空间位于泵浦-探测光路中物镜3与置于物镜3焦面的微区样品表面之间，距离大小为2cm(物镜焦距)。
针尖71的尾端设置在印刷电路板72上并与引线73连接，针尖71的前端位于透光区域内并与样品上的电极电连接。针卡7的针尖71材料为钨金属，针尖71直径为45um，针尖71插入光路长度为4-5mm，多个针尖71的位置设计与微纳器件的电极8位置一致。通过将针尖71直接与微纳器件的电极(200um)实现电接触，与样品微区处的距离为2mm，远小于光斑大小(5um)，完全不会对样品反射回的光信号有干扰，并且可以实现反复的稳定接触。
引线73并入BNC接口(一种同轴电缆连接器)与源表连接。引线73的长度为25cm，并通过源表电流测试表头实时监控电压是否成功施加。
样品的尺寸为10-20μm，样品上金电极的尺寸为500-1000μm。为了保证下针时针卡7的针尖71与微纳器件的精准定位，以及保证实验数据稳定性与可靠性，电接触前后对泵浦-探测光路部分必须不做任何改动。所以需要我们在光路单独搭建一套放大倍数与微区样品成像光路不同的光路。
样品台上通过液体银胶固定有导电基座。导电基座为预先焊好线的导电铁皮。样品的硅基底通过导电铜胶固定在导电基座上。
上述成像CCD6、聚合物分光薄片4、样品台5和针卡7均设置在相应的三维精密螺旋平移台9上，并在三维精密螺旋平移台9的带动下移动。
聚合物分光薄片4是以45°倾斜角插入物镜3与样品之间。在2cm样品与针卡7前端狭窄空间内，以45度倾斜角插入一个用于分光的透明聚合物分光薄片4(宽度为8mm)，保证既可以对样品表面电极进行成像，也可以采集样品表面反射回的光信号，并通过三维平移台控制其精确移动。分出的竖直光束进入放大镜筒和成像CCD，其放大倍数为390倍，满足金电极的成像需求，并通过高清晰度多媒体接口画面输出到液晶显示频幕，从而实现针尖与电极的精确定位。
为了对上述同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置进行进一步的说明，本实施方式还提供了采用上述装置进行同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的具体方法，其包括以下步骤：
步骤A：在泵浦探测光路调试完毕，激光光斑与样品位置确定可获得稳定信号之后，以45度倾斜角在物镜3与样品间插入聚合物分光薄片4，并将成像镜筒放大倍数调至最小以获取最大放大倍数，利用多个三维精密螺旋平移台9微调优化薄片高度，角度以及成像镜筒的成像位置与聚焦效果来获取最佳分光成像效果。
步骤B：在薄片与样品之间插入针卡7，并固定其自身三维精密螺旋平移台9，调整针尖71位置与样品表面电极在成像系统中大致接近后，将放大倍数调大至合适倍数，并将成像区域选中为电极8为中心轻旋焦距方向螺旋位移轴，直至成像系统中针尖与电极在同一焦面，且针尖向前轻微移动一小段距离，表示已成功下针到电极8表面。
步骤C：开启源表，避免源表开关电流击穿样品，连接导电基座与针卡7，连接时测量表头的电流数据进一步反映下针效果，下针后电流会比连接前明显增大。
步骤D：采集此时的瞬态吸收谱，并对样品聚焦效果进行轻微优化。
步骤E：更改电压大小，获取一系列同步电压调控下的瞬态吸收谱数据。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，包括泵浦探测微区信号采集光路(1)、分光片(2)、物镜(3)、聚合物分光薄片(4)、样品台(5)和成像CCD(6)，其特征在于，所述样品台(5)和聚合物分光薄片(4)之间设置有针卡(7)，该针卡(7)用于向样品台上的样品施加电压。
2.根据权利要求1所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述针卡(7)包括针尖(71)、印刷电路板(72)和引线(73)；
所述印刷电路板(72)中间设置有中空的透光区域；
所述针尖(71)的尾端设置在印刷电路板(72)上并与引线(73)连接，针尖(71)的前端位于透光区域内并与样品上的电极(8)电连接；
所述引线(73)并入BNC接口与源表连接。
3.根据权利要求2所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述针尖(71)的直径为45μm，针尖(71)插入光路长度为4-5mm。
4.根据权利要求2所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述针尖(71)与样品微区处的距离为2mm。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述样品的尺寸为10-20μm，所述样品上金电极的尺寸为500-1000μm。
6.根据权利要求5所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述样品台上通过液体银胶固定有导电基座。
7.根据权利要求6所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述导电基座为预先焊好线的导电铁皮。
8.根据权利要求6或7所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述样品的硅基底通过导电铜胶固定在导电基座上。
9.根据权利要求2-4任意一项所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，其特征在于，所述成像CCD(6)、聚合物分光薄片(4)、样品台(5)和针卡(7)均设置在相应的三维精密螺旋平移台(9)上，并在三维精密螺旋平移台(9)的带动下移动。
10.一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-7中任意一项所述的同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置，包括以下步骤：
步骤A：在泵浦探测光路调试完毕，激光光斑与样品位置确定可获得稳定信号之后，插入聚合物分光薄片(4)，调整成像镜筒的放大倍数，以及聚合物分光薄片(4)、成像镜筒的位置与聚焦效果，以获取最佳分光成像效果；
步骤B：在聚合物分光薄片(4)和样品台(5)之间插入针卡(7)，并调整针卡(7)的针尖(71)位置，使其处于设定的位置，将物镜放大倍数调大至合适倍数，并将成像区域选中为电极(8)为中心轻旋焦距方向螺旋位移轴，直至成像系统中针尖(71)与电极(8)在同一焦面，再对针尖(71)的位置进行调整，使针尖(71)与样品上的电极(8)相接触；
步骤C：开启源表，同时避免源表开关电流击穿样品，连接导电基座与针卡(7)；
步骤D：采集此时的瞬态吸收谱，并对样品聚焦效果进行轻微优化；
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