CN109406416B - 一种光电导谱自动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电导谱自动测量系统及方法，所述系统包括：带有计算机接口的集成式光源、放置在光学暗箱中的光路系统、测试盒、偏置电源、两台锁相放大器和一台计算机。方法：通过引入特殊的样品结构、针对高阻样品和低阻样品设计不同的测试线路来增强信号的幅度，通过使用锁相放大器(参考频率由斩波器提供)来测量矩形狭缝样品在光照/不光照两种情况下在测试线路中引入的与交变光同频率的周期性电压脉冲信号，然后通过一定的计算将实测的“电压—波长”数据转换为材料的“光电导率—波长”数据(即光电导谱)。测试过程不但更加省时、省力，而且测试结果还更加准确、可靠。

Description

一种光电导谱自动测量系统及方法

技术领域

本发明属于光电材料表征技术领域，具体涉及一种光电导谱自动测量系统及方法。

背景技术

对于应用于太阳电池或光电探测器等领域的光电功能材料而言，研究在不同波长光的激发下材料在黑暗/光照下电导率的变化(或者材料在黑暗/光照下电导率的变化对入射光波长的响应)，对于现有光电功能材料性能的表征、制备工艺的优化和新型光电功能材料的筛选具有非常重要的科学价值和实际意义。然而，由于单色仪通过光栅分光输出的单色光的光强往往较弱，一般的光电功能材料在光强较弱的单色光的激发下电导率的变化往往非常微弱，通常会淹没在噪声信号中，很难检测到材料在黑暗/光照下电导率的变化(光电导率)对不同波长入射光响应的真实信号。通过借鉴测量太阳电池短路电流对不同波长入射光响应(称为光谱响应或量子效率测量)所使用的“交变光+锁相放大器”的测量方法，再通过引入特殊的样品结构、针对高阻样品和低阻样品设计不同的测试线路来增强信号的幅度，本发明可以实现对材料光电导率对不同波长入射光响应真实信号的检测。此外，通过引入宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，用其中一束光通过凸透镜聚焦到样品上，利用一台锁相放大器(锁放1)检测与样品相连的测试线路上电压的变化，可得到样品的光电导谱，与此同时，用另一束光通过凸透镜聚焦到已知绝对灵敏度因子的光敏二极管上，利用另一台锁相放大器(锁放2)检测光敏二极管输出的电流可得到入射到样品表面的光强随波长的变化，利用前者除以后者就可得到单位光强、不同波长光激发下材料的光电导谱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用计算机精确自动测量单位光强、不同波长光激发下材料的光电导谱(或光电导率随入射光波长的变化)的测量系统及方法。为了实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：一种光电导谱自动测量系统，包括：

用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机；

带有计算机接口的集成式光源，用于输出波长连续可调的矩形单色交变光斑；交变光的频率由集成式光源系统中的斩波器控制；

测试盒，所述测试盒内设有电子线路，所述测试盒的盒体上设有一个多阻值切换开关、一个高阻与低阻切换开关和若干电连接接口；

光学暗箱，光学暗箱内设有光路系统；所述光学暗箱的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源；所述光路系统包括宽光谱分束镜、第一聚焦透镜、样品架及样品、第二聚焦透镜、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管；样品通过所述电连接接口与测试盒连接；所述宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，其中一束光通过第一聚焦透镜聚光到样品上，另一束光通过第二聚焦透镜聚光到光敏二极管上；

偏置电源，用于给样品和测试盒提供偏压；

两台锁相放大器，包括与测试盒电连接的第一锁相放大器和与所述光敏二极管电连接的第二锁相放大器；所述第一锁相放大器工作在电压测量模式，用于检测与样品相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号；所述第二锁相放大器工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管输出的与交变光同频率的电流脉冲信号。

进一步的技术方案为，还包括外环连接件和圆环状螺母；输出光筒嵌入到外环连接件的内孔并由螺丝固定；输出光筒嵌入到光学暗箱的通光孔并且输出光筒的前端伸入到光学暗箱内；输出光筒的前端设有外螺纹，圆环状螺母通过所述外螺纹与输出光筒固定，光学暗箱的侧壁夹紧在外环连接件与圆环状螺母之间。

进一步的技术方案为，所述测试盒的电子线路包括可变电阻，所述多阻值切换开关用于选择所述可变电阻的阻值；所述高阻与低阻切换开关为双刀双掷开关；所述可变电阻的一端连接到测试盒的与所述样品一端连接的电连接接口，可变电阻的另一端连接到高阻与低阻切换开关的D₁端，高阻与低阻切换开关的D₂端通过电连接接口与样品的另一端连接；高阻与低阻切换开关的G₁端与D₂端相连，G₂端与D₁端相连；所述偏置电源分别通过测试盒的电连接接口连接到高阻与低阻切换开关的两个电键；所述第一锁相放大器的一端连接到可变电阻相连的电连接接口，第一锁相放大器的另一端连接到与偏置电源负极相连的电连接接口。

进一步的技术方案为，所述样品架包括底座、设置于底座上的可调节支撑杆、设置于可调节支撑杆顶端的有机玻璃背板，有机玻璃背板的前表面中部两侧各设有一个用于夹紧样品的金属弹簧片，所述金属弹簧片连接到光学暗箱箱体上的电连接接口；有机玻璃背板的前方底部还设有高度可调的横档。

本发明还涉及一种利用所述系统实现光电导谱自动测量的方法，所述测量方法包括以下步骤：

S1：将样品放在样品架上，用金属弹簧片压紧样品狭缝两侧的面电极固定样品，并形成电接触；

S2：根据样品的电阻，选择高阻或低阻测量模式、选择可变电阻的阻值、选择偏置电压、选择交变光频率；

S3：调节光路，使得投射到样品和光敏二极管上的光斑的大小和亮度相近，且光斑的面积正好覆盖矩形狭缝样品；

S4：在计算机上设置测试参数，由计算机控制系统各部件自动完成测试，并在测试过程中实时保存并显示第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化，以及第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，测试完毕后计算机提醒测试完成；

S5：数据处理，根据实测的第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化和第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，所选择的测量模式和可变电阻的阻值、偏置电压、矩形狭缝样品的宽度、高度和薄膜厚度、光敏二极管的绝对灵敏度因子，计算单位光强不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

进一步的技术方案为，所述步骤S3具体为，由计算机控制集成式光源输出波长为550nm的绿色交变光斑，调节所述集成式光源输出的交变光斑的宽度和高度、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光敏二极管以及样品的位置。

进一步的技术方案为，所述步骤S4具体为，

设定起始波长、终止波长以及步进波长；

控制第一锁相放大器检测样品在光照与未光照状态下的电导变化引起的与交变光同频率的电压脉冲信号；同时，控制第二锁相放大器检测光敏二极管在光照与未光照状态下输出的与交变光同频率的电流脉冲信号；分别从第一锁相放大器和第二锁相放大器读取测得的电压值和电流值；将测得的“电压—波长”和“电流—波长”数据实时显示在屏幕上；并将“波长—电压—电流”数据保存；

计算机根据起始波长、步进波长和终止波长来判断并控制集成式光源系统输出下一个波长，如果下一个波长小于等于终止波长，则重复上面的过程；如果下一个波长大于终止波长，则说明测量已经完成，则计算机会保存完整的“电压—波长”和“电流—波长”波形文件，并提醒测量结束。

进一步的技术方案为，所述步骤S5具体为，

利用第二锁相放大器测得的“电流—波长”数据和光敏二极管绝对灵敏度因子数据，得到入射到样品表面的光强数据；利用第一锁相放大器测得的“电压—波长”数据、测量模式、可变电阻的阻值R₀和偏置电压ε，高阻测试模式利用公式Δσ＝ΔV/R₀ε或者低阻测试模式利用公式Δσ＝-ΔVR₀/ε/R²计算光电导Δσ随波长的变化；利用联系光电导Δσ和光电导率Δδ的公式Δσ＝ΔδLd/w、矩形狭缝样品的宽度w、高度L和薄膜厚度d，计算材料的光电导谱；将材料的光电导谱除以入射到样品表面的光强数据，得到单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

进一步的技术方案为，所述步骤S1中，样品的制备工艺为，

将材料以薄膜的形式沉积在尺寸为宽2cm×高1cm×厚1mm的绝缘衬底上，所沉积的薄膜的厚度在1μm—10μm之间；使用掩膜法在薄膜样品表面蒸发金属共面电极，留出宽度在0.3mm—1mm之间、高度为1cm的矩形样品狭缝；真空或者惰性气氛下进行退火，以使薄膜与金属电极之间形成欧姆接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用计算机控制系统各部件协调统一动作，完成对材料光电导谱的测量。采用计算机测量，不仅可以极大地减小测试人员的劳动强度和工作量，更为关键的是，测试可以采用更为细密的波长间隔，测试结果也更加快速准确，避免了人为因素引入的误差。

(2)采用“交变光+锁相放大器”的测量方法从原理上保证了系统能够检测到极微弱的光电导谱信号。以交变光的频率作为两台锁相放大器的参考频率，使得锁相放大器只检测与交变光同频率的电压脉冲或电流脉冲信号，可以有效屏蔽外界噪声信号的干扰，使得锁相放大器最低可检测到5fA(10^-15A)的电流或者2nV(10^-9V)的电压。

(3)采用特别设计的光路使得入射光在样品上激发的光电导在测试线路中引起的电压变化和入射到样品上的光强同时被检测，这样做的好处在于可以获得单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。具体做法是，采用宽光谱分束镜将集成式光源输出的交变光分为光强相等的两束光，将其中的一束光通过凸透镜聚焦到样品上，并用一台锁相放大器检测测试线路上电压的变化进而得到样品的光电导率，将另一束光通过凸透镜聚焦到光敏二极管上，并用另一台锁相放大器检测光敏二极管输出的电流的变化进而得到照射到样品上的光强，由前者除以后者就可得到单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

(4)为了增强因样品光照/未光照电导变化在测试线路上引起的电压脉冲信号的幅度，以减小外界噪声信号对测试的干扰，针对高阻样品和低阻样品的光电导谱测试使用了不同的电子测试线路；为了避免高阻样品切换为低阻样品测试时重新接线的麻烦，特别设计了一个测试盒，它通过BNC接头与偏置电源、样品和第一锁相放大器进行固定连接。通过选取测试盒上的一个双波段开关，电子测试线路可以在“高阻”和“低阻”两种模式之间切换，简化了测试过程，给不同阻值的样品的光电导谱的测试带来了很大的方便。

附图说明

图1是本发明公开的光电导谱测量系统的结构示意图；

图2是本发明公开的光电导谱测量系统中光学暗箱的结构示意图；

图3是本发明的公开的光电导谱测量系统中的样品架正视结构示意图；

图4是本发明的公开的光电导谱测量系统中的样品架侧视结构示意图；

图5是本发明的公开的光电导谱测量系统中的样品结构示意图；

图6是本发明的公开的光电导谱测量系统中“高阻样品”和“低阻样品”测试光电导测试的等效电路图；

图7是本发明的公开的光电导谱测量系统中测试盒内部线路图及测试盒与外部样品、偏置电源和锁相放大器的连接示意图；

图8是本发明公开的光电导谱测量中Labview系统集成控制软件程序框图。

图中：

1-计算机；2-集成式光源；3-光学暗箱；31-光敏二极管；32-第一聚焦透镜；33-第二聚焦透镜；34-宽光谱分束镜；35-折页门；36-BNC接头；4-测试盒；41-双波段开关；42-可变电阻器；5-偏置电源；6-第一锁相放大器；7-第二锁相放大器；8-样品；81-金属面电极；82-样品薄膜；83-衬底；9-斩波器；101-有机玻璃背板；102-铜弹簧片；103-铜螺杆；104-不锈钢可调支撑杆；105-铁底座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的光电导谱自动测量系统，所述系统包括：

用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机1。

带有计算机接口的集成式光源2，用于输出波长连续可调的矩形交变单色光斑。具体地，所述集成式光源2将宽光谱、谱线无尖峰、高稳定光源(譬如石英卤钨灯)及供电电源、聚焦透镜组、滤波轮、斩波器及控制器、光栅单色仪、用来调整光斑大小的准直透镜组集成在一起，具有自动滤波功能，可以在计算机1的控制下输出波长范围300—1200nm、步进波长0.05-10nm可调、频率4Hz—2kHz连续可调的高稳定、高重复度、高分辨交变单色光。输出矩形交变单色光斑，光斑的高度在3-12mm、宽度在4um-3mm连续可调。

测试盒4，所述测试盒4内设有电子线路，所述测试盒4的盒体上设有一个多阻值切换开关(本实施中可选取1kΩ,10kΩ,100kΩ,1MΩ,10MΩ和100MΩ共计六种电阻)、一个高阻与低阻切换开关41和若干电连接接口(本实施例中为三组共计六个BNC接头36，分别与偏置电源5、样品8和第一锁相放大器6连接，具体连接方式见后文)。

光学暗箱3，光学暗箱3内设有光路系统，光学暗箱3的作用是将光路与外部环境进行光学隔离。所述光学暗箱3的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源2；如图2所示，所述光路系统包括宽光谱分束镜34、第一聚焦透镜32、样品架及样品8、第二聚焦透镜33、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管31；样品8通过所述电连接接口与测试盒4连接；所述宽光谱分束镜34将集成式光源2输出的单色交变光一分为二，分为光强相等、传播方向垂直的两束光，与原来传播方向相同的光束通过第一聚焦透镜32聚光到样品8上，与原来传播方向垂直的光束通过第二聚焦透镜33聚光到光敏二极管31上。第一锁相放大器6通过检测与样品8相连的测试线路上电压的变化可得到样品8的光电导(样品8在黑暗和光照下电导的变化量)，第二锁相放大器7通过检测光敏二极管31输出电流的大小可得到照射到样品8表面的光强。此外，在光学暗箱3的顶部和正面开有一个折页门35，以方便操作人员调节光路和取放样品8。

偏置电源5，用于给样品8和测试盒4提供偏压。

两台锁相放大器，包括与测试盒4电连接的第一锁相放大器6和与所述光敏二极管31电连接的第二锁相放大器7；所述第一锁相放大器6工作在电压测量模式，用于检测与样品8相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号，由此可得到样品8的光电导；所述第二锁相放大器7工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管31输出的与交变光同频率的电流脉冲信号，由此可得到照射到样品8表面的光强。需要说明的是，两台锁相放大器的参考频率都是由斩波器9提供的，这意味着锁相放大器只检测与交变光频率相同且做周期性变化的电压或电流信号。为了避免50Hz市电及谐波对信号的干扰，斩波器频率选7Hz、13Hz、17Hz或23Hz等。

其中，测试盒4、偏置电源5、样品8的具体线路连接关系，优选为：如图7所示，所述测试盒4的电子线路包括可变电阻42，所述多阻值切换开关用于选择所述可变电阻42的阻值；所述高阻与低阻切换开关41为双刀双掷开关；所述可变电阻42的一端连接到测试盒4的与所述样品8一端连接的电连接接口，可变电阻42的另一端连接到高阻与低阻切换开关41的D₁端，高阻与低阻切换开关41的D₂端通过电连接接口与样品8的另一端连接；高阻与低阻切换开关41的G₁端与D₂端相连，G₂端与D₁端相连；所述偏置电源5分别通过测试盒4的电连接接口连接到高阻与低阻切换开关41的两个电键；所述第一锁相放大器6的一端连接到可变电阻42相连的电连接接口，第一锁相放大器6的另一端连接到与偏置电源5负极相连的电连接接口。光学暗箱3内组件与外部组件(譬如锁相放大器、偏置电源5、测试盒4等)的电信号连接均使用绝缘性能和屏蔽性能很好的BNC接头和BNC线以满足测量微弱电信号的要求，且BNC接头固定在光学暗箱3的侧壁上。测试盒4的设置，使得高阻样品与低阻样品切换测试时，可以不用重新接线，只需改变高阻与低阻切换开关41的状态即可。两种状态下的等效电路图如图6(a)(b)所示。

另一方面，为进一步保证光学暗箱3的不透光连接，所述系统还包括外环连接件和圆环状螺母；输出光筒嵌入到外环连接件的内孔并由螺丝固定；输出光筒嵌入到光学暗箱3的通光孔并且输出光筒的前端伸入到光学暗箱3内；输出光筒的前端设有外螺纹，圆环状螺母通过所述外螺纹与输出光筒固定，光学暗箱3的侧壁夹紧在外环连接件与圆环状螺母之间。这样的方式有效实现集成式光源2输出光筒与光学暗箱3的不透光连接和固定。

此外，如图3、图4所示，所述样品架包括底座105、设置于底座105上的可调节支撑杆104、设置于可调节支撑杆104顶端的有机玻璃背板101，有机玻璃背板101的前表面中部两侧各设有一个用于夹紧样品8的金属弹簧片102，所述金属弹簧片102连接到光学暗箱3箱体上的电连接接口；有机玻璃背板101的前方底部还设有高度可调的横档。通过拧紧样品架有机玻璃背板101上的螺丝，可以使位于样品8两侧的两个金属弹簧片102压紧样品8上的金属面电极81形成电接触。BNC线则是从有机玻璃背板101背面的铜螺杆103上引出。而高度可调的横档则进一步避免样品8向下掉落。

如图5所示，根据测得的样品8的光电导(有光照和无光照时样品电导的变化量)Δσ，矩形狭缝样品的宽度w、高度L和样品薄膜的厚度d，可以计算出样品薄膜的光电导率(有光照和无光照时样品薄膜电导率的变化量)Δδ。矩形狭缝样品的电阻R与电阻率ρ满足下式：R＝ρw/L/d，利用电导σ和电导率δ将上式改写为σ＝δLd/w，所以光电导Δσ与光电导率Δδ之间满足如下关系：Δσ＝ΔδLd/w，可以由测得的光电导Δσ、矩形狭缝样品的宽度w、高度L和薄膜厚度d计算出薄膜材料的光电导率Δδ。

高阻样品8光电导测试线路图如图6(a)所示。

对于高阻样品8(譬如R＞100kΩ)，要求样品电阻R＞＞取样电阻R₀。对于我们的例子，取样电阻R₀可以取1kΩ或者10kΩ。

样品8电导σ＝1/R

无光照时：线路中电流I＝ε/R＝σε

有光照时：样品8电导改变Δσ

线路中电流改变ΔI＝εΔσ

取样电阻R₀上的电压变化ΔV＝R₀ΔI＝R₀εΔσ

光电导Δσ＝ΔV/R₀ε

即锁相放大器检测到的电压变化量ΔV与样品8的光电导Δσ成正比。

低阻样品8光电导测试线路图如图6(b)所示。

对于低阻样品8(譬如R<100kΩ)，要求限流电阻R₁＞＞样品电阻R，使回路处于恒流状态。

对于我们的例子，限流电阻R₁可以取1MΩ或者10MΩ或者100MΩ。

线路中的恒定电流I₀＝ε/R₁

无光照时：样品8两端的电压V＝I₀R＝εR/R₁

有光照时：样品8电阻改变ΔR

样品8两端的电压变化ΔV＝εΔR/R₁

所以ΔR＝ΔVR₁/ε

光电导Δσ＝Δ(1/R)＝-ΔR/R²＝-ΔVR₁/ε/R²

即锁相放大器检测到的电压变化量ΔV与样品8的光电导Δσ成正比。

本发明完全实现了由计算机1控制对样品8进行光电导谱的自动测量。操作者只需放好样品8、在测试盒4上选好合适的测量模式和取样(或限流)电阻阻值、在斩波器控制器上选好交变光频率(譬如7Hz)、选好偏置电压、在Labview控制软件界面上设置好测试参数(譬如起始波长、终止波长和步进波长等)，用鼠标点击“开始测试”按钮，剩下的测试工作将由计算机1自动完成。一旦完成测量，计算机1还会奏响音乐提示操作者已完成测量。测试时，计算机1一方面控制集成式光源2输出给定波长的单色交变光；另一方面，控制第一锁相放大器6(参考频率由集成式光源系统中的斩波器9提供)检测测试线路上因样品8光照/未光照电导变化引起的电压信号的变化量(与交变光同频率，且做周期性变化)从而得到样品8的光电导；与此同时，控制第二锁相放大器7(参考频率由斩波器提供)检测光敏二极管31光照/未光照输出光电流信号的变化量(与交变光同频率，且做周期性变化)从而得到入射到样品8表面的光强；从锁相放大器采集并保存测量数据，并将采集到的电压信号和电流信号随入射光波长的变化实时显示在屏幕上。

本发明还涉及一种利用上述系统实现光电导谱自动测量的方法，所述测量方法包括以下步骤：

S1：打开光学暗箱3，将样品8放在样品架上，用金属弹簧片102压紧样品8狭缝两侧的面电极固定样品8，并形成电接触。

S2：根据样品8的电阻，选择高阻或低阻测量模式、选择可变电阻42的阻值、选择偏置电压(譬如50V)、选择交变光频率(具体地，在斩波器控制器上选取适当的交变光频率，譬如7Hz)。

S3：调节光路，使得投射到样品8和光敏二极管31上的光斑的大小和亮度相近，且光斑的面积正好覆盖矩形狭缝样品8。进一步地，由计算机1控制集成式光源2输出波长为550nm的绿色交变光斑，调节所述集成式光源2的输出交变光斑的宽度和高度、第一聚焦透镜32、第二聚焦透镜33、光敏二极管31以及样品8的位置。调节完毕后关闭光学暗箱3的折页门35，使光学暗箱3内部处于不透光的状态。

S4：在计算机1上设置测试参数，由计算机1控制系统各部件自动完成测试，并在测试过程中实时保存并显示第一锁相放大器6所测电压随入射光波长变化，以及第二锁相放大器7所测电流随入射光波长变化的数据，测试完毕后计算机1提醒测试完成。

进一步地，所述步骤S4具体为，

设定起始波长、终止波长以及步进波长。具体而言，在自主开发的Labview系统集成控制软件界面上，点击相应的按钮，进行两台锁相放大器的连接和设置，将第一锁相放大器6设置为电压测量模式，并进行具体的设置譬如电压灵敏度、动态储备和时间常数等；将第二锁相放大器7设置为电流测量模式，并进行具体的设置譬如电流灵敏度、动态储备和时间常数等。重新设置单色仪的起始波长(譬如300nm)、终止波长(譬如1200nm)和步进波长(譬如1nm)。

当所有测量参数设置完成之后，用鼠标点击“开始测量”按钮，剩下的测试工作将由计算机1控制系统各部件统一协调动作，自动完成测量工作。

具体而言，计算机1首先控制集成式光源2输出起始波长的单色交变光；控制第一锁相放大器6检测样品8在光照与未光照状态下的电导变化引起的与交变光同频率的电压脉冲信号；同时，控制第二锁相放大器7检测光敏二极管31在光照与未光照状态下输出的与交变光同频率的电流脉冲信号；分别从第一锁相放大器6和第二锁相放大器7读取测得的电压值和电流值；将测得的“电压—波长”和“电流—波长”数据实时显示在屏幕上；并将“波长—电压—电流”数据保存在一个Excel表格中。接下来，计算机1根据起始波长、步进波长和终止波长来判断并控制集成式光源2输出下一个波长，如果下一个波长小于等于终止波长，则重复上面的过程。如果下一个波长大于终止波长，则说明测量已经完成，则计算机1会保存完整的“电压—波长”和“电流—波长”波形文件，并奏响音乐，提示已完成测量。

S5：数据处理，根据第一锁相放大器6所测的电压随入射光波长变化和第二锁相放大器7所测的电流随入射光波长变化的数据，所选择的测量模式和可变电阻42的阻值、偏置电压、矩形狭缝样品8的宽度、高度和薄膜厚度、光敏二极管31的绝对灵敏度因子，计算单位光强不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

所述步骤S5具体为，

利用第二锁相放大器7测得的“电流—波长”数据和光敏二极管31绝对灵敏度因子数据，得到入射到样品8表面的光强数据；利用第一锁相放大器6测得的“电压—波长”数据、测量模式、可变电阻42的阻值R₀和偏置电压ε，高阻测试模式利用公式Δσ＝ΔV/R₀ε或者低阻测试模式利用公式Δσ＝-ΔVR₀/ε/R²计算光电导Δσ随波长的变化；利用联系光电导Δσ和光电导率Δδ的公式Δσ＝ΔδLd/w、矩形狭缝样品8的宽度w、高度L和薄膜厚度d，计算材料的光电导谱；将材料的光电导谱除以入射到样品8表面的光强数据，就可以得到单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

其中，Labview系统集成控制软件的程序框图如图8所示。

此外，所述步骤S1中，样品8的制备工艺为，

将材料以薄膜的形式沉积在尺寸为宽2cm×高1cm×厚1mm的绝缘衬底83上，所沉积的薄膜的厚度在1μm—10μm之间；使用掩膜法在薄膜样品8表面蒸发金属共面电极，留出宽度在0.3mm—1mm之间、高度为1cm的矩形样品狭缝；真空或者惰性气氛下进行退火，以使薄膜与金属电极之间形成欧姆接触。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种光电导谱自动测量的方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

S1：将样品放在样品架上，用金属弹簧片压紧样品狭缝两侧的面电极固定样品，并形成电接触；

S2：根据样品的电阻，选择高阻或低阻测量模式、选择可变电阻的阻值、选择偏置电压、选择交变光频率；

S3：调节光路，使得投射到样品和光敏二极管上的光斑的大小和亮度相近，且光斑的面积正好覆盖矩形狭缝样品；

S4：在计算机上设置测试参数，由计算机控制系统各部件自动完成测试，并在测试过程中实时保存并显示第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化，以及第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，测试完毕后计算机提醒测试完成；所述步骤S4具体为：

设定起始波长、终止波长以及步进波长；

控制第一锁相放大器检测样品在光照与未光照状态下的电导变化引起的与交变光同频率的电压脉冲信号；同时，控制第二锁相放大器检测光敏二极管在光照与未光照状态下输出的与交变光同频率的电流脉冲信号；分别从第一锁相放大器和第二锁相放大器读取测得的电压值和电流值；将测得的“电压—波长”和“电流—波长”数据实时显示在屏幕上；并将“波长—电压—电流”数据保存；

计算机根据起始波长、步进波长和终止波长来判断并控制集成式光源系统输出下一个波长，如果下一个波长小于等于终止波长，则重复上面的过程；如果下一个波长大于终止波长，则说明测量已经完成，则计算机会保存完整的“电压—波长”和“电流—波长”波形文件，并提醒测量结束；

S5：数据处理，根据实测的第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化和第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，所选择的测量模式和可变电阻的阻值、偏置电压、矩形狭缝样品的宽度、高度和薄膜厚度、光敏二极管的绝对灵敏度因子，计算单位光强不同波长单色光激发下材料的光电导谱；所述步骤S5具体为：

利用第二锁相放大器测得的“电流—波长”数据和光敏二极管绝对灵敏度因子数据，得到入射到样品表面的光强数据；利用第一锁相放大器测得的“电压—波长”数据、测量模式、可变电阻的阻值R₀和偏置电压ε，高阻测试模式利用公式Δσ＝ΔV/R₀ε或者低阻测试模式利用公式Δσ＝-ΔVR₀/ε/R²计算光电导Δσ随波长的变化；

利用联系光电导Δσ和光电导率Δδ的公式Δσ＝ΔδLd/w、矩形狭缝样品的宽度w、高度L和薄膜厚度d，计算材料的光电导谱；

将材料的光电导谱除以入射到样品表面的光强数据，得到单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：由计算机控制集成式光源输出波长为550nm的绿色交变光斑，调节所述集成式光源的输出交变光斑的宽度和高度、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光敏二极管以及样品的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，样品的制备工艺为：

将材料以薄膜的形式沉积在尺寸为宽2cm×高1cm×厚1mm的绝缘衬底上，所沉积的薄膜的厚度在1μm—10μm之间；

使用掩膜法在薄膜样品表面蒸发金属共面电极，留出宽度在0.3mm—1mm之间、高度为1cm的矩形样品狭缝；

真空或者惰性气氛下进行退火，以使薄膜与金属电极之间形成欧姆接触。

4.一种实现权利要求1所述方法的光电导谱自动测量系统，其特征在于，所述系统包括：

用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机；

带有计算机接口的集成式光源，用于输出波长连续可调的矩形交变单色光斑；交变光的频率由集成式光源系统中的斩波器控制；

测试盒，所述测试盒内设有电子线路，所述测试盒的盒体上设有一个多阻值切换开关、一个高阻与低阻切换开关和若干电连接接口；所述测试盒的电子线路包括可变电阻，所述多阻值切换开关用于选择所述可变电阻的阻值；所述高阻与低阻切换开关为双刀双掷开关；所述可变电阻的一端连接到与样品一端相连的电连接接口，可变电阻的另一端连接到高阻与低阻切换开关的D₁端，高阻与低阻切换开关的D₂端通过电连接接口与样品的另一端连接；高阻与低阻切换开关的G₁端与D₂端相连，G₂端与D₁端相连；偏置电源分别通过测试盒的电连接接口连接到高阻与低阻切换开关的两个电键；第一锁相放大器的一端连接到与可变电阻相连的电连接接口，第一锁相放大器的另一端连接到与偏置电源负极相连的电连接接口；

光学暗箱，光学暗箱内设有光路系统；所述光学暗箱的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源；所述光路系统包括宽光谱分束镜、第一聚焦透镜、样品架及样品、第二聚焦透镜、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管；样品通过所述电连接接口与测试盒连接；所述宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，其中一束光通过第一聚焦透镜聚光到样品上，另一束光通过第二聚焦透镜聚光到光敏二极管上；

偏置电源，用于给样品和测试盒提供偏压；

两台锁相放大器，包括与测试盒电连接的第一锁相放大器和与所述光敏二极管电连接的第二锁相放大器；所述第一锁相放大器工作在电压测量模式，用于检测与样品相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号；所述第二锁相放大器工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管输出的与交变光同频率的电流脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的光电导谱自动测量系统，其特征在于，还包括外环连接件和圆环状螺母；输出光筒嵌入到外环连接件的内孔并由螺丝固定；输出光筒嵌入到光学暗箱的通光孔并且输出光筒的前端伸入到光学暗箱内；输出光筒的前端设有外螺纹，圆环状螺母通过所述外螺纹与输出光筒固定，光学暗箱的侧壁夹紧在外环连接件与圆环状螺母之间。

6.根据权利要求4所述的光电导谱自动测量系统，其特征在于：所述样品架包括底座、设置于底座上的可调节支撑杆、设置于可调节支撑杆顶端的有机玻璃背板，有机玻璃背板的前表面中部两侧各设有一个用于夹紧样品的金属弹簧片，所述金属弹簧片连接到光学暗箱箱体上的电连接接口；有机玻璃背板的前方底部还设有高度可调的横档。

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