CN107275177B - 用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置 - Google Patents

用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置，属于材料应用技术领域。包括：飞秒激光发生器(1)、分束镜(2)、倍频发生器(3)、时间延迟平台(4)、扫描电子显微镜(5)和电场装置(7)；将飞秒激光发生器的基本输出经过分束镜1：1同步进入两个倍频发生器，经过倍频发生器产生的第一束脉冲激光通过高温窗口聚焦到扫描电子显微镜冷却的Schottky场发射灯丝产生探测电子束脉冲，第二束脉冲激光作为泵浦光经调解后以50度角入射到待测物上，在待测物上应用电场装置施加电场。对比现有技术，应用本发明可以实时直观观测载流子在电场作用下的运动过程，解决了载流子在哪里产生，激子在哪里复合等技术难题，为提高光电器件效率提供有效依据。

Description

用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置
技术领域
本发明涉及一种应用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置，属于材料科学应用技术领域。
背景技术
自从人类在地球上诞生以来，我们致力于让非常小的东西和非常快的瞬态行为看得见。尽管人眼的敏锐度不受衍射限制，但它的空间和时间分辨率仍然被分别限制在大约100微米和几分之一秒内。今天，联合时间域和空间域以产生四维电子显微镜已经成为可能，我们可以观测到纳米尺度的物体、飞秒量级的运动，它开辟了新的前景和应用。特别地，超快飞秒激光和高分辨扫描电子显微镜有机结合——四维超快扫描电子显微镜，成为研究材料表面载流子动力学的唯一有效手段。近年来广泛应用于光电材料，微纳光电器件，太阳能电池等领域。然而目前的四维超快扫描电子显微镜仅局限于研究光电材料载流子动力学过程，无法在外加电场条件下原位研究光电器件的载流子动力学过程，严重脱离了现实生活中广泛应用的光电器件使用状态。例如，实际应用的光电器件，其激子在哪里分布与俘获，激子转移如何发生，其是否依赖于周围环境等等都是重要而又亟待解决的问题。通过本发明涉及的一种应用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置，可以完美解决以上技术难题，原位研究电场下光电器件界面的载流子动力学过程，对于提高光电器件的效率十分关键。
发明内容
本发明的目的是为解决无法应用现有四维超快扫描电子显微镜研究电场作用下载流子动力学过程的问题，提出一种用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置。
本发明的原理是对适用于超快扫描电子显微镜研究的待测物施加电场，可依应用条件拆卸组装，以原位研究电场作用下载流子动力学。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置，包括：飞秒激光发生器、分束镜、倍频发生器、时间延迟平台、扫描电子显微镜和电场装置；
其中，飞秒激光发生器用于产生飞秒激光；
分束镜用于将飞秒激光1:1分成两束；
倍频发生器用于将飞秒激光器的基本输出波长激光倍频；
时间延迟平台用于延迟泵浦和探测脉冲到达待测物表面的时间；
扫描电子显微镜用于接收脉冲激光并通过自身的高温窗口精准聚焦到自身的冷却的Schottky场发射灯丝以产生探测电子束脉冲；
电场装置用于为微纳尺寸的待测物施加电场；
连接关系为：
将飞秒激光发生器的基本输出经过分束镜1：1同步进入两个倍频发生器，经过倍频发生器产生的第一束脉冲激光通过高温窗口精准聚焦到扫描电子显微镜冷却的Schottky场发射灯丝并产生光电子脉冲，经过1-30kV电压加速，得到探测电子束脉冲，用于探测待测物；经过倍频发生器产生的第二束脉冲激光以50度角入射到待测物上，作为泵浦光将待测物激发到激发态，通过电脑控制的时间延迟平台控制泵浦光和探测光的时间差，用以实现时间分辨，在待测物上应用电场装置施加电场。
作为优选，所述时间差的范围为-0.6—6.0ns。
作为优选，所述电场装置由夹持装置和电源组成，夹持装置用于从两端夹持待测物并从端部施加电场，由燕尾槽滑台、待测物支撑平台和探针组成，燕尾槽滑台轴线上开有用于放置探针并能滑动的燕尾槽，中心固定安装有待测物支撑平台用于放置支撑待测物，探针用于从待测物两端接触待测物并在接有电源情况下产生电场；电源由电源盒和电池组成，电池置于对外提供有电源接口的电源盒内；夹持装置的两个探针分别通过线缆与电源正负极接口相连，两探针间的间距为微米量级。
作为优选，为节约能源及方便使用，所述电池为可充电电池。
有益效果：
1、本发明提供了一种原位测量微纳光电材料和器件载流子动力学过程的装置，可以实时直观观测载流子在电场作用下的运动过程，解决了载流子在哪里产生，激子在哪里复合等技术难题，为提高光电器件效率提供有效依据。
2、本发明性质稳定、环境友好、操作方便
3、本发明的一种用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置，在真空样品腔内仅使用一个电池和两个探针就可以直接产生电场；需要时放入样品腔内即可，大大降低了系统复杂度和成本，提高了可靠性和稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置的结构组成示意图；
图2是用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置的电源结构示意图；
图3是用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置的探针结构示意图。
附图标记：1-飞秒激光系统，2-分束镜，3-倍频发生器，4-时间延迟平台，5-扫描电子显微镜，6-待测物，7-电场装置。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例：以厚度为500μm的CdSe/ZnO异质结的待测物6为例说明如何利用用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置研究其载流子动力学。
如图1所示，为一种应用于超快扫描电子显微镜的可拆卸电场装置结构示意图，该装置包括：飞秒激光发生器1、分束镜2、倍频发生器3、时间延迟平台4、扫描电子显微镜5、待测物6和电场装置7；
其中，飞秒激光发生器1用于产生飞秒激光；本实施例采用Clark.MXR高功率飞秒光纤激光器；
分束镜2用于将飞秒激光1:1分成两束；本实施例采用Thorlabs公司分束镜；
倍频发生器3用于将飞秒激光器的基本输出波长1030纳米激光倍频产生515纳米波长；本实施例采用Clark.MXR的倍频发生器；
时间延迟平台4用于延迟泵浦和探测脉冲到达待测物表面的时间；本实施例采用Thorlabs公司时间延迟平台；
扫描电子显微镜5用于产生探测电子束脉冲；本实施例采用Quanta FEI-650扫描电子显微镜；
电场装置7用于为微纳尺寸的待测物施加电场；本实施例采用Signatone探针和可重复充电锂电池；
连接关系为：
将飞秒激光发生器1的基本输出经过分束镜2 1：1同步进入两个倍频发生器3，经过倍频发生器产生的第一束脉冲激光通过高温窗口精准聚焦到扫描电子显微镜5冷却的Schottky场发射灯丝并产生光电子脉冲，经过1-30kV电压加速，用于探测待测物；经过倍频发生器产生的第二束脉冲激光以50度角入射到待测物6上，作为泵浦光将待测物6激发到激发态，通过电脑控制的时间延迟平台4控制泵浦光和探测光的时间差(覆盖-0.6到6.0ns)，用以实现时间分辨，在待测物6加连续可调节电压，对待测物6进行测量。
本实施例中，由于探针为微米量级，因此可以适用于微纳光电器件原位测量。
应用本发明装置进行探测的工作过程如下：
1.将选用的CdSe/ZnO异质结放置在待测物台上。
2.如附图1所示，调整飞秒激光系统1的光路，将超快飞秒激光高功率飞秒光纤激光器的基本输出1030纳米的激光经过分束镜2 1：1同步进入两个倍频发生器3，产生两束515nm的激光。其中一束激光用于激发样品，即泵浦光束；另一束激光用于探测光路。
3.准确调节探测光路，确保探测光将通过高温窗口精准聚焦到扫描电子显微镜5冷却的Schottky场发射灯丝并产生用于探测的电子束脉冲，即探测光。
4.通过调节光学元件将激光准直高度先升高，再通过调节平面镜角度，使激光以50度角精准聚焦到待测物6中心，选择此角度对扫描电子显微镜的改动最少，以确保信号位于扫描电子显微镜5的扫描窗口中心。
5.如图2所示，将12伏锂电池装于电池盒内放入扫描电子显微镜5真空腔内，提供电压。由于真空腔内空间狭小，电池盒尺寸要匹配真空腔大小，且不能阻挡到入射激光。作为优选，所述电池为可充电电池。
6.如图3所示，探针置于燕尾槽滑台上，可随同待测物一起放入扫描电子显微镜5真空腔内，便于移动。由于测量过程中待测物要实时移动，且探针要随样品一起移动，因此需要将燕尾槽滑台固定于待测物的平台上。通过燕尾槽滑台可调节探针间距，根据待测物厚度实时调整探针距离，将探针7精准固定在CdSe/ZnO异质结两侧面，对其施加电场，由于探针为微米量级，可以适用于微纳光电器件原位测量。
7.应用电脑控制时间延迟平台4(覆盖-0.6到6.0ns)用以实现时间分辨。
本发明中锂电池置于电池盒内，当采用充电电池时可反复充电，使用时，可根据实际使用场景需要决定是否使用电场装置，当不需要使用电场装置时，将待测物直接置于扫描电子显微镜5真空腔内进行载流子动力学过程研究即可，当需要研究外加电场条件下的载流子动力学过程时加入电场装置即可，因此，可依据具体实验需求，决定是否安装电场装置，拆卸均十分方便。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于超快扫描电子显微镜的电场装置，其特征在于：超快扫描电子显微镜包括：飞秒激光发生器(1)、分束镜(2)、倍频发生器(3)、时间延迟平台(4)、扫描电子显微镜(5)和可拆卸电场装置(7)；
其中，飞秒激光发生器(1)用于产生飞秒激光；
分束镜(2)用于将飞秒激光1:1分成两束；
倍频发生器(3)用于将飞秒激光器的基本输出波长激光倍频；
时间延迟平台(4)用于延迟探测脉冲到达待测物表面的时间；
扫描电子显微镜(5)用于接收脉冲激光并通过自身的高温窗口精准聚焦到自身的冷却的Schottky场发射灯丝以产生探测电子束脉冲；
可拆卸电场装置(7)用于为微纳尺寸的待测物施加电场；
连接关系为：
将飞秒激光发生器(1)的基本输出经过分束镜(2)1：1同步进入两个倍频发生器(3)，经过倍频发生器(3)产生的第一束脉冲激光通过高温窗口精准聚焦到扫描电子显微镜冷却的Schottky场发射灯丝并产生光电子脉冲，经过1-30kV电压加速，得到探测电子束脉冲，用于探测待测物；经过倍频发生器(3)产生的第二束脉冲激光经调解后以50度角入射到待测物上，作为泵浦光将待测物激发到激发态，通过电脑控制的时间延迟平台控制泵浦光和探测光的时间差，用以实现时间分辨，在待测物上应用电场装置施加电场。
2.根据权利要求1所述的一种用于超快扫描电子显微镜的电场装置，其特征在于：所述时间延迟平台控制泵浦光和探测光的时间差的范围为-0.6—6.0ns。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种用于超快扫描电子显微镜的电场装置，其特征在于：所述可拆卸电场装置由夹持装置和电源组成，夹持装置用于从两端夹持待测物并从端部施加电场，由燕尾槽滑台、待测物支撑平台和探针组成，燕尾槽滑台轴线上开有用于放置探针并能滑动的燕尾槽，中心固定安装有待测物支撑平台用于放置支撑待测物，探针用于从待测物两端接触待测物并在接有电源情况下产生电场；电源由电源盒和电池组成，电池置于对外提供有电源接口的电源盒内；夹持装置的两个探针分别通过线缆与电源正负极接口相连，两探针的尺寸为微米量级。
4.根据权利要求3所述的一种用于超快扫描电子显微镜的电场装置，其特征在于：所述电池为可充电电池。
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