CN109342548B - 载流子浓度的测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载流子浓度的测量方法及系统，其中，该测量方法包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。该测量方法在测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，不影响载流子的浓度和空间分布。

Description

载流子浓度的测量方法及系统
技术领域
本公开属于材料测试技术领域，涉及一种载流子浓度的测量方法及系统，特别涉及一种基于金刚石NV色心自旋弛豫速率实现载流子浓度测量的方法和系统。
背景技术
载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位(或空穴)被视为一种载流子，电子也是一种载流子；在金属中，自由电子作为载流子；在电解液中，正、负离子作为载流子。
载流子对材料的性质有重要的影响，其中，载流子浓度的变化会导致材料电导率的变化，影响材料的电学性质。在材料物理中，载流子随空间的分布可以使材料展现出拓扑特性。对二维材料载流子浓度的控制可改变其势垒，用于开发新一代光电器件。在半导体器件中，载流子浓度的高低决定元件的调制速度，并且影响其击穿特性，影响其稳定性和安全性。因此对载流子浓度的测量是一个很重要的方向。
目前已有一些测量载流子浓度的方法，比如利用肖特基二极管测量流过的电流强度得到载流子的浓度，或者利用原子力显微镜(AFM)的多重电子模式测量局域的载流子分布，或者利用普通霍尔效应或者反常霍尔效应测量载流子的浓度，以及利用光霍尔效应测量光致载流子浓度变化。然而，这些方法都需要测量元件与被测样品欧姆接触，会对载流子的浓度和空间分布有所改变。
因此，有必要提出一种无损的载流子浓度的测量方法，在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种载流子浓度的测量方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种载流子浓度的测量方法，包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。
在本公开的一些实施例中，金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线的获得方法如下：利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。
在本公开的一些实施例中，曲线拟合为线性拟合或者最小二乘拟合。
在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率测量系统进行测量，该NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：共聚焦荧光显微系统，包含：激光器、声光调制器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；激光器、声光调制器和双色镜处于第一轴向，显微镜物镜、双色镜、长通滤光片和单光子计数模块处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；调制信号产生器，与声光调制器相连，用于产生调制电信号，该调制电信号加载于声光调制器，实现声光调制器控制激光的打开与关断；数据采集卡，统计单光子计数模块记录下的NV色心的荧光光子数；以及计算机，与调制信号产生器、数据采集卡均相连，实现数据处理和存储。
在本公开的一些实施例中，NV色心自旋弛豫速率测量系统的光路如下：激光器发出的激光经过声光调制器调制后由双色镜实现反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到待测的NV色心上，由待测的NV色心辐射出的荧光再经由显微镜物镜收集后依次透过双色镜、长通滤光片，进入单光子计数模块中。
在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率的方法，包括：一基本探测过程：控制声光调制器使激光打开并聚焦后照射至NV色心一第一预设时间，使得NV色心的自旋态被初始化/极化到ms＝0态；控制声光调制器使激光关闭，使NV色心的自旋态在声子和磁场的作用下弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，该弛豫过程对应的时间为弛豫时间τ；之后继续打开激光一段时间，在该段时间内单光子计数模块打开一第二预设时间探测NV色心的荧光强度；循环上述基本探测过程；在探测过程中扫描从NV色心极化到ms＝0态和单光子计数模块打开之间的时间间隔τ，可得到NV色心的荧光强度随时间间隔τ的e指数衰减曲线，拟合之后就可得到NV色心的弛豫速率。
在本公开的一些实施例中，在继续打开激光一段时间内，单光子计数模块打开一第二预设时间探测得到NV色心的荧光强度为测量信号，在激光还处于打开状态内，关闭单光子计数模块一第三时间后再次打开单光子计数模块一第二预设时间进行探测得到NV色心的荧光强度为参考信号，利用测量信号处于参考信号得到归一化信号。
在本公开的一些实施例中，第一预设时间为3μs～5μs；和/或，第二预设时间为300ns；和/或，基本探测过程循环106次以上。
在本公开的一些实施例中，当含有NV色心的金刚石为粉末金刚石时，将该粉末金刚石置于待测样品上或由原子力显微镜尖段附带该粉末金刚石悬于待测样品附近；和/或，当金刚石为块状金刚石时，将待测样品置于该块状金刚石表面上；和/或，待测样品为金属、半导体、或拓扑绝缘体材料。
根据本公开的另一个方面，提供了一种载流子浓度的测量系统，该载流子浓度的测量系统为一NV色心自旋弛豫速率测量系统。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的载流子浓度的测量方法及系统，具有以下有益效果：
利用不同载流子浓度由于热运动产生不同强度的Johnson噪声(电流噪声)，进而产生不同大小的磁场，而磁场会导致NV色心自旋弛豫速率的改变的特性，测量NV色心的自旋弛豫速率即可得到载流子浓度的信息，并且由于NV色心的载体金刚石是绝缘体，测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，因此在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量方法流程图。
图2为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量系统的结构图，同时也示意NV色心自旋弛豫速率测量系统的结构图。
图3为根据本公开一实施例所示的测量NV色心自旋弛豫速率的激光脉冲序列。
图4为根据本公开一实施例所示的金刚石中NV色心能级以及零场劈裂示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的拟合的载流子浓度和金刚石NV色心自旋弛豫速率之间的关系曲线。
【符号说明】
1-激光器； 2-声光调制器；
3-双色镜； 4-显微镜物镜；
5-NV色心； 6-长通滤光片；
7-单光子计数模块； 8-调制信号产生器；
9-数据采集卡； 10-计算机。
具体实施方式
氮空穴色心(NV色心，Nitrogen-Vacancy center)是金刚石中的一种发光点缺陷，一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷被称为NV色心。金刚石中NV色心是由与金刚石相邻晶格位置中的空位/空穴(V)相关联的替代氮原子(N)，其空位捕获电子组成，具有C3v对称结构。NV色心的电学结构主要是由空穴周围的三个碳和一个氮原子的悬空键决定。带一个负电荷的NV色心有6个电子，填充4个轨道形成S＝1的自旋基态，基态为自旋三重态。
在零外磁场下，S＝1的自旋态导致基态发生劈裂为ms＝0和ms＝±1，称为零场劈裂，约为2.87GHz。借助于NV色心亚稳态跃迁的自旋选择特性，实验上通常用激光极化NV色心的自旋状态到ms＝0态。声子和外磁场会导致NV色心的自旋态从ms＝0弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，称为纵向自旋弛豫，其特征时间为毫秒量级。由于NV色心的荧光强度依赖于自旋状态，这使得可以利用自发辐射荧光强度读出其自旋状态。依据NV色心的纵向自旋弛豫时间长，并且可以通过光学方法激发和读出的特点，可以将NV色心用作高灵敏的磁场测量。
材料中的载流子由于热运动会产生电流噪声，称为Johnson噪声。而此电流噪声产生的磁场可被NV色心探测到，反映到NV色心自旋弛豫速率上。因此本公开基于上述分析，设计了一种基于金刚石NV色心自旋弛豫速率测量材料中载流子浓度的系统和对应的测量方法，该测量方法和系统具有重要的理论意义和实用价值。
本公开提出一种载流子浓度的测量方法及系统，基本构思在于：利用不同载流子浓度由于热运动产生不同强度的Johnson噪声(电流噪声)，进而产生不同大小的磁场，而磁场会导致NV色心自旋弛豫速率的改变。因此，测量NV色心的自旋弛豫速率即可得到载流子浓度的信息，并且由于NV色心的载体金刚石是绝缘体，测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，因此在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在此说明书所附的附图简化过且作为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改。然而，本公开并不受限于以下所公开的示范性实施例；说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本公开的具体细节。针对本公开结合示意图进行详细的描述，在详述本公开的实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，并且示意图只是示例，在此不应限制本发明保护的范围。
本公开中，术语“NV色心自旋弛豫速率测量系统”是指能够实现NV色心自旋弛豫速率测量的系统，其结构不局限于本公开的实施例所示，只要能实现相应功能的结构或系统均在本公开的保护范围之内。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种载流子浓度的测量方法。
图1为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量方法流程图。
参照图1所示，本公开的载流子浓度的测量方法，包括：
步骤S11：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；
其中，当金刚石中NV色心与样品的距离小于样品的趋肤深度时，满足准静态近似。
本实施例中，当含有NV色心的金刚石为粉末金刚石时，将该粉末金刚石置于待测样品上或由原子力显微镜尖段附带该粉末金刚石悬于待测样品附近；当金刚石为块状金刚石时，可将待测样品置于该块状金刚石表面上。
在一些实施例中，待测样品可以是金属、半导体、或拓扑绝缘体材料。
步骤S12：测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；
图2示意NV色心自旋弛豫速率测量系统的结构图。
本实施例中，利用图2所示意的系统实现金刚石中NV色心的自旋弛豫速率的测量。
当然，在其它实施例中，也可以采用本领域常用的其它方法测量NV色心的自旋弛豫速率。
参照图2所示，本公开的NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：共聚焦荧光显微系统，包含：激光器1、声光调制器2、双色镜3、显微镜物镜4、长通滤光片6和单光子计数模块7；激光器1、声光调制器2和双色镜3处于第一轴向，显微镜物镜4、双色镜3、长通滤光片6和单光子计数模块7处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；数据采集卡9，统计单光子计数模块7记录下的NV色心的荧光光子数；调制信号产生器8，与声光调制器2、数据采集卡9均相连，用于产生调制电信号，该调制电信号分别加载于声光调制器2和数据采集卡9，分别控制激光的开关和荧光光子的计数时长；以及计算机10，与调制信号产生器8、数据采集卡9均相连，实现数据处理和存储、以及结果显示。
本实施例中，声光调制器2用于实现激光的及时关断与打开。由于将NV色心的自旋态极化到基态ms＝0态大约需要3～5微秒的时间，因此需要及时关断和打开激光。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，光波的衍射方向会发生变化，这样可实现对激光的打开和关断。
调制信号产生器8用于产生调制电信号，本实施例中，调制信号产生器8为Spincore板卡，该Spincore板卡可发出高频矩形脉冲信号加载于声光调制器2，声光调制器2接收到调制信号产生器8的调制电信号，依据调制电信号的指令实现激光的及时关断与打开。
参照图2所示，待测的NV色心5放置于共聚焦荧光显微系统中，测量的光路情况如下：激光器1发出的激光经过声光调制器2调制(打开或关断，打开时存在光路)后由双色镜3实现反射后进入显微镜物镜4中，而后聚焦照射到待测的NV色心5上，由待测的NV色心5辐射出的荧光再经由显微镜物镜4收集后依次透过双色镜3、长通滤光片6，进入单光子计数模块7中，其中，双色镜3实现对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射；长通滤光片6实现滤光功能，由长通滤光片6滤出激光和环境中的杂散光后，单光子计数模块7记录NV色心5的荧光，单光子计数模块7每记录到一个荧光光子后便输出一个脉冲到数据采集卡9作统计。
本步骤S12中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率的方法如下：一基本探测过程：控制声光调制器使激光打开并聚焦后照射至NV色心一第一预设时间(例如为3μs～5μs)，使得NV色心的自旋态被初始化(或称为极化)到ms＝0态；控制声光调制器使激光关闭，使NV色心的自旋态在声子和磁场的作用下弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，弛豫过程对应的时间为弛豫时间τ；之后继续打开激光一段时间，在该段时间内单光子计数模块打开一第二预设时间(一般为300ns)探测NV色心的荧光强度；循环上述基本探测过程；在探测过程中扫描从NV色心极化到ms＝0态和单光子计数模块打开之间的时间间隔τ，即可得到NV色心的荧光强度随时间间隔τ的e指数衰减曲线拟合之后就可得到NV色心的弛豫速率。
优选的，在继续打开激光一段时间内，单光子计数模块打开一第二预设时间探测得到NV色心的荧光强度为测量信号，在激光还处于打开状态内，关闭单光子计数模块一第三时间(间隔的时间)后再次打开单光子计数模块一第二预设时间进行探测得到NV色心的荧光强度为参考信号，利用测量信号处于参考信号得到归一化信号。
此外，调制信号产生器8也与数据采集卡9相连，用于控制对荧光光子的数据采集时间的长度，参照图2所示，该调制信号产生器8产生的矩形脉冲信号作用于数据采集卡9用于控制第二预设时间。
图3为根据本公开一实施例所示的测量NV色心自旋弛豫速率的激光脉冲序列。
NV色心自旋态的极化和读取所需的序列如图3所示，图3中，上面的序列对应的是激光脉冲序列，下面的序列对应的是单光子计数模块的序列，进行测量时，首先声光调制器2打开使激光聚焦后照射到NV色心5上，照射时间约为3μs～5μs(微秒)，对应图3中极化的时间。此时NV色心5的自旋以很高的概率处于基态ms＝0态。而后声光调制器2关断，使NV色心5的自旋态在声子和磁场的作用下弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，该段对应的时间为弛豫时间τ，如图3中上面的序列所示。之后利用激光实现自旋态的读取功能，读取功能对应图3中上面的序列，单光子计数模块7打开一段时间探测NV色心5的荧光强度，打开时间通常为300ns(纳秒)，因为300ns后NV色心5的自旋态会被重新初始化到ms＝0态，300ns对应下面序列中的测量的时间，为了减少由于数据波动性引起的较大误差，通常在激光打开的时间段内(读取段)，单光子计数模块7关闭一段时间后再次打开进行一段时间的测量，此段时间的参考值，此段时间与测量时间对应的时间长度相等(这里也为300ns)，对应得到图3所示下面的序列中的参考段。利用测量段的荧光强度除以参考段的荧光强度得到归一化信号，实际操作中通常需要多次探测累加的方法提高信噪比，因此在读取300ns的NV色心的荧光信号后会把NV色心重新初始化到ms＝0态并探测此时的荧光信号作为归一化信号。并将整个探测过程循环106次以上。在探测过程中扫描从NV色心极化到ms＝0态和单光子计数模块打开之间的时间间隔τ，如图3所示，即可得到NV色心的荧光强度随时间间隔τ的e指数衰减曲线，拟合之后就可得到NV色心的弛豫速率。
可选的，上述进行NV色心测量的操作可由编写的labview程序控制，并最终显示在计算机10上。
图4为根据本公开一实施例所示的金刚石中NV色心能级以及零场劈裂示意图。
参照图4来说明步骤S12的测量原理。如图4所示，金刚石中NV色心的能级结构如图4所示，在受到激光照射时可被泵浦到激发态，由激光实现金刚石中NV色心自旋态的初始化。金刚石中NV色心能级在真空场的作用下发生自发辐射跃迁，发出波长从625nm到800nm的荧光。NV色心的基态三重态在零外磁场时，会有约2.87GHz的劈裂。NV色心的自旋态可以通过光学(自发辐射跃迁)的方法极化，具体过程为：NV色心在激发态会有两种途径跃迁到基态，从激发态ms＝±1能级到基态ms＝±1能级；从激发态ms＝0能级到基态ms＝0能级；以及通过非辐射跃迁从激发态ms＝±1能级到基态ms＝0能级，在此过程中，ms不等于零的激发态寿命更短。
经历“基态-激发态-基态”的循环后，NV色心的自旋以很高的概率处于基态ms＝0态，此时可以施加2.87GHz的微波将NV色心的自旋反转到基态ms＝±1态。
而后在声子和磁场的作用下，NV色心的自旋弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上。
激光除了可以初始化NV色心的自旋态外，还可以对其进行读出。过程与初始化类似，在激光打开到NV色心的自旋状态演化到ms＝0的这段时间内的荧光信号会被探测。如果开始时ms＝0，则在激光激发时，NV色心会连续处于光激发和荧光发射的循环过程，这个过程会使荧光发射率一直维持在高的状态。当NV色心的自旋态处于ms＝±1态时，激光泵浦过程会使电子自旋从激发态三重态到激发单重态，从而使荧光计数率很迅速下降直到NV色心再被初始化到ms＝0态。NV色心自旋处于ms＝±1态时的荧光计数率要比处于ms＝0态时低30％，因此，通过NV色心荧光计数率的高低可以区分ms＝0和ms＝±1两个状态。
步骤S13：基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度；
本实施例中，通过理论分析和推导，金刚石中NV色心自旋弛豫速率与待测样品载流子浓度的关系为：线性关系。
在实际测量中，依据上述线性关系，利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合(可以为线性拟合或者最小二乘拟合)，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。然后利用该标定关系曲线，基于测量得到的金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，读出待测样品中的载流子浓度。
当然，基于上述理论分析和推导，可以定性地知道金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度具有相关性，因此可以不知道其具体关系，直接通过实验测量得到关系曲线，然后进行曲线拟合，得到标定关系曲线，依据标定关系曲线和测量得到的金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，直接读出待测样品中的载流子浓度。为了确保曲线拟合的准确度，在曲线拟合过程中再根据物理意义进行推导验证曲线拟合是否正确。
理论中，待测样品载流子浓度与金刚石中NV色心自旋弛豫速率关系的推导过程如下：根据待测样品载流子浓度与电导率之间的关系、电导率与磁场空间密度的关系、以及NV色心自旋弛豫速率与磁场空间密度的关系，可以推导出NV色心自旋弛豫速率与待测样品载流子浓度之间的关系。
当待测样品中的载流子浓度为n时，待测样品的电导率与载流子浓度的关系满足：
Figure BDA0001879605330000101
其中，σ为电导率，l为电子平均自由程，vF为电子的费米速度，me为电子质量，e为元电荷。
当NV色心和样品的距离小于样品的趋肤深度时，满足准静态近似。此时磁场空间密度与样品电导率的关系满足：
Figure BDA0001879605330000102
其中，SB为磁场空间密度，μ0为真空磁导率，kB为玻尔兹曼常量，d为NV色心与样品的距离，T为温度。
利用费米黄金法则，可得到NV色心自旋弛豫速率与磁场空间密度的关系为：
Figure BDA0001879605330000103
其中，Γ表示NV色心自旋弛豫速率；g≈2，表示电子的g因子；μB为玻尔磁子，
Figure BDA0001879605330000113
是约化普朗克常数(也称狄拉克常数)，θ是NV色心的偶极和样品表面的夹角。
因此，由上述公式(1)～(3)可以导出载流子浓度与金刚石中NV色心自旋弛豫速率的关系。结合公式(1)～(3)可知，上述公式给出的关系曲线呈线性。
将标定样品的载流子浓度变化Δn和金刚石中NV色心自旋弛豫速率变化量ΔΓ进行曲线拟合：
在一实施例中，曲线拟合可采用线性拟合，如公式(4)所示：
y＝ax+b (4)
在另一实施例中，曲线拟合也可以采用最小二乘法拟合，由公式(5)和(6)给出拟合曲线：
Figure BDA0001879605330000111
Figure BDA0001879605330000112
解由公式(5)和(6)构成的关于a0和a1方程组，得到a0和a1，就可以构造出满足平方逼近条件的逼近函数，该逼近函数表达式如下：
f(x)＝a0+a1x (7)
图5为根据本公开一实施例所示的拟合的载流子浓度和金刚石NV色心自旋弛豫速率之间的关系曲线。如图5所示，待测样品载流子浓度与金刚石中NV色心自旋弛豫速率呈线性关系。
最终，基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度，完成载流子浓度的测量。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种载流子浓度的测量系统。
图2为根据本公开一实施例所示的载流子浓度的测量系统的结构图。参照图2所示，本公开的载流子浓度的测量系统为一NV色心自旋弛豫速率测量系统，该测量系统包括：
共聚焦荧光显微系统，包含：激光器1、声光调制器2、双色镜3、显微镜物镜4、长通滤光片6和单光子计数模块7；激光器1、声光调制器2和双色镜3处于第一轴向，显微镜物镜4、双色镜3、长通滤光片6和单光子计数模块7处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；
数据采集卡9，统计单光子计数模块7记录下的NV色心的荧光光子数；
调制信号产生器8，与声光调制器2、数据采集卡9均相连，用于产生调制电信号，该调制电信号分别加载于声光调制器2和数据采集卡9中，分别控制激光的开关和荧光光子的计数时长；以及
计算机10，与调制信号产生器8、数据采集卡9均相连，实现数据处理和存储。
参照图2所示，待测的NV色心5放置于共聚焦荧光显微系统中，测量的光路情况如下：激光器1发出的激光经过声光调制器2调制(打开或关断，打开时存在光路)后由双色镜3实现反射后进入显微镜物镜4中，而后聚焦照射到待测的NV色心5上，由待测的NV色心5辐射出的荧光再经由显微镜物镜4收集后依次透过双色镜3、长通滤光片6，进入单光子计数模块7中，其中，双色镜3实现对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射；长通滤光片6实现滤光功能，由长通滤光片6滤出激光和环境中的杂散光后，单光子计数模块7记录NV色心5的荧光，单光子计数模块7每记录到一个荧光光子后便输出一个脉冲到数据采集卡9作统计。
本实施例中，声光调制器2用于实现激光的及时关断与打开。由于将NV色心的自旋态极化到基态ms＝0态大约需要3～5微秒的时间，因此需要及时关断和打开激光。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，光波的衍射方向会发生变化，这样可实现对激光的打开和关断。
调制信号产生器8用于产生调制电信号，本实施例中，调制信号产生器8为Spincore板卡，该Spincore板卡可发出高频矩形脉冲信号加载于声光调制器2，声光调制器2接收到调制信号产生器8的调制电信号，依据调制电信号的指令实现激光的及时关断与打开。
此外，调制信号产生器8也与数据采集卡9相连，用于控制对荧光光子的数据采集时间的长度，参照图2和图3所示，该调制信号产生器8产生的矩形脉冲信号作用于数据采集卡9用于控制第二预设时间。
综上所述，本公开提供了一种载流子浓度的测量方法及系统，通过利用不同载流子浓度由于热运动产生不同强度的Johnson噪声(电流噪声)，进而产生不同大小的磁场，而磁场会导致NV色心自旋弛豫速率的改变的特性，测量NV色心的自旋弛豫速率即可得到载流子浓度的信息，并且由于NV色心的载体金刚石是绝缘体，测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，因此在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种载流子浓度的测量方法，其特征在于，包括：
放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；
测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及
基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度；
所述测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率的方法，包括：
一基本探测过程：控制声光调制器使激光打开并聚焦后照射至NV色心且保持一第一预设时间，使得NV色心的自旋态被初始化/极化到ms＝0态；控制声光调制器使激光关闭，使NV色心的自旋态在声子和磁场的作用下弛豫到ms＝0和ms＝±1的混态上，该弛豫过程对应的时间为弛豫时间τ；之后继续打开激光一段时间，在该段时间内单光子计数模块打开且保持一第二预设时间探测NV色心的荧光强度；
循环上述基本探测过程；
在探测过程中扫描从NV色心极化到ms＝0态和单光子计数模块打开之间的时间间隔τ，可得到NV色心的荧光强度随时间间隔τ的e指数衰减曲线，拟合之后就可得到NV色心的自旋弛豫速率。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线的获得方法如下：
利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其中，所述曲线拟合为线性拟合或者最小二乘拟合。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率测量系统进行测量，该NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：
共聚焦荧光显微系统，包含：激光器、声光调制器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；激光器、声光调制器和双色镜处于第一轴向，显微镜物镜、双色镜、长通滤光片和单光子计数模块处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；
调制信号产生器，与声光调制器相连，用于产生调制电信号，该调制电信号加载于声光调制器，实现声光调制器控制激光的打开与关断；
数据采集卡，统计单光子计数模块记录下的NV色心的荧光光子数；以及
计算机，与调制信号产生器、数据采集卡均相连，实现数据处理和存储。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其中，所述NV色心自旋弛豫速率测量系统的光路如下：
激光器发出的激光经过声光调制器调制后由双色镜实现反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到待测的NV色心上，由待测的NV色心辐射出的荧光再经由显微镜物镜收集后依次透过双色镜、长通滤光片，进入单光子计数模块中。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其中，在所述继续打开激光一段时间内，单光子计数模块打开且保持一第二预设时间探测得到NV色心的荧光强度为测量信号，在激光还处于打开状态内，关闭单光子计数模块且保持一第三时间后再次打开单光子计数模块且保持一第二预设时间进行探测得到NV色心的荧光强度为参考信号，利用测量信号处于参考信号得到归一化信号。
7.根据权利要求1或6所述的测量方法，其中，
所述第一预设时间为3μs～5μs；和/或，
所述第二预设时间为300ns；和/或，
所述基本探测过程循环106次以上。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其中，
当含有NV色心的金刚石为粉末金刚石时，将该粉末金刚石置于待测样品上或由原子力显微镜尖段附带该粉末金刚石悬于待测样品附近；和/或，
当金刚石为块状金刚石时，将待测样品置于该块状金刚石表面上；和/或，
待测样品为金属、半导体、或拓扑绝缘体材料。
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