CN106353535A

CN106353535A - 原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统

Info

Publication number: CN106353535A
Application number: CN201610884303.3A
Authority: CN
Inventors: 赵晋津; 孔国丽; 刘正浩; 欧云; 贾春媚; 魏丽玉
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS; Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS; Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2017-01-25

Abstract

本发明公开了一种原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，包括光电器件的光源与伏安测试系统、多功能探针原子力显微镜系统和气氛保护系统。光电器件的光源与伏安测试系统包括夹具、光源和数字源表；多功能探针原子力显微镜系统包括多功能探针、激光发射器、激光光斑位置检测器、激光检测器、数据引出线和电脑显示器；气氛保护系统包括箱体、进气出气装置、螺旋式气流形成装置、温湿控制装置、气体存放装置、咬合设计推拉门和观察窗。本发明的优点在于，综合系统将光电测试部分和多功能探针原子力显微镜有机结合在一起，可以原位、同步、实时测试工作样品的宏观光电性能和微观信息，如电子、离子、极化等微观变化信息。

Description

原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统

技术领域

本发明涉及一种原位测试光电转换器件宏观性能与微观结构的装置，具体涉及一种原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。1986年Binnig与斯坦福大学的C.F.Quite和IBM苏黎士实验室的Christophe Gerber合作研发了原子力显微镜,这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜{Phys.Rev.Lett.,1986，56，930-933}。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。由于它的出现，直接观测微观世界的大门被打开了。这种显微镜能以高分辨率探测原子和分子的形状，确定物体的电、磁、热与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生变化，也无需使试样受破坏性的高能辐射作用。近年来国内外研究表明，原子力显微镜材料分析中的应用具有很大潜力，它是在纳米分辨率下研究物质的一个有力工具。它具有分辨率高、成本低、消耗低、工作范围宽等一系列优点，并且待测样品无需导电；可得到高分辨物体表面的三维形貌；可以在真空、大气、溶液、低温等多种环境下工作；可以进行连续动态分析；缺点是仅是微观局部分析，不能与宏观性能原位实时测试相结合。

近年来，光电能源领域是世界的研究热点，为了更有效的提高电池的效率，科学家对电池器件的微观工作原理的探究越来越多，原子力显微镜的出现为科学家深入研究太阳能电池器件在电池光电转换过程中，其器件各功能层的电子、离子运动，电畴极化的微观结构变化过程提供了一个有效的手段和方法。因此如何将太阳能电池器件的伏安测试系统与原子力显微镜系统结合，满足原位光电多功能耦合的宏观性能与微观测试，是当前的一个技术难点。可以预见，在不久的将来，AFM作为一项独立的研究方法将日臻成熟，应用范围也将日渐扩大，并将对光电能源材料的发展做出重大的贡献。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有光电测试系统和多功能探针原子力显微镜只能分别、单独、离线测试，不能满足科研人员对样品进行原位、同步、实时宏观性能测试与微观结构表征相结合的要求。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，包括光电器件的光源与伏安测试系统、多功能探针原子力显微镜系统和气氛保护系统。所述光电器件的光源与伏安测试系统包括夹具、光源和数字源表；所述多功能探针原子力显微镜系统包括热、磁、电势、电子扫描等多功能探针、激光发射器、激光光斑位置检测器、激光检测器、数据引出线和电脑显示器；所述气氛保护系统包括气氛保护箱体、螺旋式气流形成装置、温湿控制和感应装置、气体存放装置、咬合部位推拉门和观察窗，所述气氛保护箱体设置有形成螺旋式气流的装置；所述形成螺旋式气流的装置与气体存放装置通过管道相连；所述管道装有用于控制进气气流大小的调节装置；所述箱体内置有用于控制箱体内温度、湿度的温湿控制和感应装置；所述的温湿控制装置用于感应箱体内的温度值和湿度值；所述温湿控制装置用于调控箱体内的温度值和湿度值；所述箱体用于通入气氛保护原子力显微镜的头部(Head)和多功能探针测试；所述箱体下部设有多功能探针引出线与箱体外的电脑显示器和激光检测器相连；所述箱体下部有光电测试部分用于夹持器件的夹具；所述夹具与数字源表相连并连接电脑显示器；所述光源由箱体外的底部或侧面发出，穿过并激发光电器件进行测试。

作为优选，所述原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统用于原位、实时、同步、同位置对器件样品进行光电性能测试和热、磁、电信号多功能探针原子力显微镜进行微观结构表征。

作为优选，所述光电测试部分光源的波长在200nm-3600nm，所述光源的光强1-1000W/m²，所述光电测试部分的数字源表可用于测试样品的伏安曲线。

作为优选，所述多功能探针原子力显微镜所加电压为0.1-10V。

作为优选，所述气氛保护系统的气氛包括氮气、氦气、氩气惰性气体及其混合气体。

作为优选，所述气氛保护系统的进气方式为阶梯螺旋进气方式，形成螺旋式气流。

作为优选，所述气氛保护系统的温湿控制器包括温湿调控和感应装置。

在实际使用中，本发明通过进气装置调节气流大小，通过进气口得到螺旋式进气流将箱体内的空气赶出，通过温湿控制装置监测并调节箱体内的温度和湿度从而使样品在测试过程中处于保护气氛中，通过夹具夹持样品器件连接数字源表测试伏安曲线，通过调控施加在探针表面的电压，获取样品表面的微观结构信息。其中，光电测试部分包括夹具、光源和数字源表，采用可编程控制装置进行光电测试；多功能探针原子力显微镜包括多功能探针、激光发射器、激光光斑位置检测器、激光检测器、数据引出线和电脑显示器，对探针加压并采用控制器测试；温湿控制器采用数字一体化传感器显示箱体内温度和湿度，采用温湿调节器调节箱体内的湿度；箱体进气孔可与实验所需保护气体的气瓶相接，通过减压阀等装置控制气流量，由温湿探测器实时显示当前湿度，进而控制箱体内湿度范围，保证工作样品测试的环境。以上可以确保原位、同步、实时进行样品的宏观性能和微观结构测试。

常规的光电性能伏安测试方法很难满足即时、原位和微观研究的需要，随着科学的发展，研究人员在寻求器件的宏观性能测试同时，在晶粒和分子水平上研究光电转换层/P-N节的界面表面晶体结构和表面上载流子动力学的方法。针对以上问题本发明提供一种原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其操作方便，而且原位、同步、实时测试其宏观性能和微观结构，为宏观测试时样品内部的光生激子产生、自由载流子分离和传输过程中短寿命的晶体结构变化，离子运动，电畴极化提供直接证据，并可实时分析影响光电器件性能的微观结构信息，进而提高太阳能电池转换性能。

本发明的优点是：综合系统将光电测试部分和多功能探针原子力显微镜有机结合在一起，可以原位、同步、实时测试工作样品的宏观光电性能和微观信息(如电子、离子、极化等微观变化信息)。箱体内设有进气孔和排气孔，可以调控工作样品周围的惰性保护气氛。螺旋式气流可以确保箱体内气流稳定均匀。通过调节进气孔气流的大小和箱体内设置的温度调节装置可以控制箱体内湿度和温度。与其他离线测试的仪器相比，该原位光电多功能原子力显微镜系统操作方便，测试结果更准确形象，可以原位、同步、实时测试样品的宏观性能和微观结构信息。

附图说明

图1为本发明的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统结构示意图。

图2为图1的多功能探针的放大示意图。

图1和图2中:1、多功能探针原子力显微镜设备；2、样品器件；3、气氛保护箱体；4、多功能探针和原子力显微镜头部(Head)；5、电脑显示器；6、光电测试数字源表；7、光源；8、正极夹具；9、原子力显微镜的多功能探针；10、夹具负极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1-2所示，一种原位光电热耦合原子力扫描电镜测试系统，包括光电测试部分、多功能探针原子力显微镜和气氛保护部分，其特征在于：所述光电测试部分包括夹具、太阳光模拟器、滤光片、线路、测试软件、数字源表和太阳能电池器件；所述多功能探针原子力显微镜包括多功能探针、激光发射器、激光光斑位置检测器、激光检测器、数据引出线和电脑显示器；所述气氛保护系统包括定制箱体、螺旋式气流形成装置、温湿控制和感应器、气体存放装置、咬合设计推拉门和观察窗，所述箱体设有形成螺旋式气流的装置，所述螺旋式气流与气体存放装置通过管道相连，所述管道装有用于控制进气气流大小的调节装置，所述箱体内置有用于控制箱体内温度、湿度的温湿控制装置，所述的温湿控制装置可感应箱体内的温度值和湿度值，所述温湿控制装置可调控箱体内的温度值和湿度值，所述箱体内设有用于原子力显微镜的头部(Head)和多功能探针，所述箱体下部设有多功能探针引出线与箱体外的电脑显示器和激光检测器相连，所述箱体下部有光电测试部分用于夹持器件的夹具，所述夹具与数字源表相连并连接电脑显示器，所述光源通过滤光片由箱体下面或者侧面打出。

在使用前，调节好样品2的位置，和多功能探针原子力显微镜头部(Head)4，盖上箱体3，并安装上推拉门。使用时，打开进气孔依次将所需的保护气体接通到箱体3内，调节箱体3内的温度和湿度，待温湿显示器上的显示所需的温度和湿度后，打开多功能探针原子力显微镜和光电测试部分，通过电脑程序控制原位测试样品的宏观性能和微观结构。

下面通过实施例和对比例进一步说明本发明，通过分别单独用多功能探针原子力显微镜和光电测试部分测试样品器件的微观结构和宏观性能与原位测试其微观结构和宏观性能的对比，来说明本发明的优势所在。

实施例：在一定温度压强下，使用原位光电多功能耦合原子力显微镜系统测试样品的宏观光电性能和微观结构信息，得到原位、同步、实时样品器件的宏观光电性能和微观结构信息。

对比例：在相同条件下测试同批次样品，但分别用多功能探针原子力显微镜和光电测试部分测试其微观结构和宏观性能，得到独立和离线状态的微观结构以及光电性能，测试结果并不能说明器件样品光电转换过程中的真是微观结构信息。

通过上述对比可知，通过本发明在系统上的创新设计，在测试的过程，其周围气氛类型、温度和湿度可控相结合，保证器件工作的真实状态。本发明的原位光电多功能原子力显微镜测试系统，可以原位、同步、实时测试器件宏观工作状态下的微观结构信息，更能准确形象，直接解释器件工作状态下样品的微观结构变化，分析引起的原因，进而精准改善器件并提高器件性能。同时，我们还可在此基础上设置更多数字源表用于测试样品的阻抗测试，通过其他的方式改变光源打出的方向，在样品的四周以及上部打进光源。

需要指出的是，上述实施例虽对本发明作了比较详细的文字描述，但这些文字描述只是对本发明设计思路的简单描述，而不是对本发明思路的限制。任何不超过本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，包括光电器件的光源与伏安测试系统、多功能探针原子力显微镜系统和气氛保护系统。所述光电器件的光源与伏安测试系统包括夹具、光源和数字源表；所述多功能探针原子力显微镜系统包括热、磁、电势、电子扫描等多功能探针、激光发射器、激光光斑位置检测器、激光检测器、数据引出线和电脑显示器；所述气氛保护系统包括气氛保护箱体、螺旋式气流形成装置、温湿控制和感应装置、气体存放装置、咬合部位推拉门和观察窗，所述气氛保护箱体设置有形成螺旋式气流的装置；所述形成螺旋式气流的装置与气体存放装置通过管道相连；所述管道装有用于控制进气气流大小的调节装置；所述箱体内置有用于控制箱体内温度、湿度的温湿控制和感应装置；所述的温湿控制装置用于感应箱体内的温度值和湿度值；所述温湿控制装置用于调控箱体内的温度值和湿度值；所述箱体用于通入气氛保护原子力显微镜的头部(Head)和多功能探针测试；所述箱体下部设有多功能探针引出线与箱体外的电脑显示器和激光检测器相连；所述箱体下部有光电测试部分用于夹持器件的夹具；所述夹具与数字源表相连并连接电脑显示器；所述光源由箱体外的底部或侧面发出，穿过并激发光电器件进行测试。

2.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统用于原位、实时、同步、同位置对器件样品进行光电性能测试和热、磁、电信号多功能探针原子力显微镜进行微观结构表征。

3.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述光源的波长在200nm-3600nm，所述光源的光强1-1000W/m²，所述数字源表用于测试样品的伏安曲线。

4.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述多功能探针原子力显微镜系统所加电压为0.1-10V。

5.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述气氛保护系统的气氛包括氮气、氦气、氩气惰性气体及其混合气体。

6.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述气氛保护系统的进气方式为阶梯螺旋进气方式，形成螺旋式气流。

7.根据权利要求1所述的原位光电多功能耦合原子力显微镜测试系统，其特征在于：所述气氛保护系统的温湿控制器包括温湿感应装置和温湿调节装置。