CN109540858B - 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；测量金刚石中NV色心的自发辐射速率；以及基于金刚石中NV色心的自发辐射速率，并根据金刚石中NV色心自发辐射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。本公开的载流子浓度的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，因此在测量过程中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色心自发辐射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。载流子浓度的变化会导致材料折射率的变化，影响其光学性质。在半导体器件中，在半导体中，载流子浓度的高低决定元件的功能是整流器或开关。基于少数载流子的器件，比如晶闸管(硅控整流器)和双极结型晶体管，其中有很强的工作电流，载流子浓度的变化会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；测量金刚石中NV色心的自发辐射速率；以及基于金刚石中NV色心的自发辐射速率，并根据金刚石中NV色心自发辐射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色心自发辐射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色心自发辐射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色心自发辐射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，标定关系曲线采用载流子可控的样品进行标定，该载流子可控的样品为ITO/Al2O3/Au异质结结构。
在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自发辐射速率利用NV色心自发辐射速率测量系统进行测量，该NV色心自发辐射速率测量系统，包括：自发辐射荧光探测系统、时间幅度转换器、第二脉冲激光器、多通道分析仪和计算机；其中，自发辐射荧光探测系统，用于实现NV色心的荧光探测；时间幅度转换器，与自发辐射荧光探测系统和第二脉冲激光器均相连，在第二脉冲激光器和自发辐射荧光探测系统发出的控制信号下分别实现记录时间的开始与停止，并将记录到的时间间隔转换为幅度信息；多通道分析仪，与时间幅度转换器相连，将得到的幅度信息进行统计分析；以及计算机，实现数据的处理与存储。
在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自发辐射速率的方法，包括：第二脉冲激光器发出时间宽度为皮秒的脉冲激光，同时输出TTL信号到时间幅度转换器中，时间幅度转换器开始记录时间；自发辐射荧光探测系统探测到NV色心的荧光后输入一个TTL信号至时间幅度转换器中停止记录时间，而后时间幅度转换器将记录到的时间间隔转换为幅度信息输入到多通道分析仪中；以及多通道分析仪将得到的幅度信息进行统计分析，在计算机中显示NV色心荧光的e指数衰减曲线，并对曲线进行拟合处理得到NV色心的自发辐射速率。
在本公开的一些实施例中，自发辐射荧光探测系统包含：第一脉冲激光器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；其中，第一脉冲激光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；第一脉冲激光器发出的脉冲激光由双色镜反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到金刚石中NV色心上；NV色心辐射出的荧光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，实现对NV色心荧光的记录。
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。
在本公开的一些实施例中，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色心自发辐射速率测量系统。
(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：
金刚石中NV色心具有发光稳定，无淬灭和光致漂白现象，并且可以通过光学方法激发和读出的优势，通过利用不同载流子浓度提供的局域光子态密度的不同，会影响NV色心的自发辐射速率的特性，测量NV色心的自发辐射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自发辐射荧光探测系统。
图3为根据本公开一实施例所示的载流子浓度测量系统，也示意NV色心自发辐射速率测量系统。
图4和图5分别为本公开一实施例所示的NV色心荧光能级在无外界载流子和有外界载流子作用下辐射跃迁通道改变的对比示意图。
图6为根据本公开一实施例所示的拟合的载流子浓度和NV色心自发辐射速率之间的关系曲线。
【符号说明】
1-第一脉冲激光器； 2-双色镜；
3-显微镜物镜； 4-NV色心；
5-长通滤光片； 6-单光子计数模块；
21-自发辐射荧光探测系统； 22-时间幅度转换器；
23-第二脉冲激光器； 24-多通道分析仪；
25-计算机。
具体实施方式
NV色心是金刚石中的一种发光缺陷，是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷称为NV色心。NV色心可以在金刚石生成的过程中产生，也可以通过后期加工的方法产生NV色心。通常的方法是用氮离子注入，粒子束注入之后，将金刚石样品放入高真空的退火炉中退火。温度一般在800℃，退火时间为两个小时左右。NV色心的荧光可以用不同波长激光泵浦得到，也可以通过电驱动得到。NV色心的零声子线在637nm附近，并在700nm左右有约100nm宽的声子边带。块状金刚石中NV色心的激发态寿命约为11ns，粉末金刚石中NV色心的寿命会长一些，约为25ns。1997年，Wrachtrup等人利用共聚焦显微镜实现了对单个NV色心的测量。金刚石NV色心是一个非常重要的物理系统，特别是在磁场测量和生物成像等领域有广泛的应用。
金刚石中NV色心具有发光稳定，无淬灭和光致漂白现象，并且可以通过光学方法激发和读出的优势，因此本公开基于上述分析，设计了一种基于金刚石NV色心自发辐射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，其基本构思在于：利用不同载流子浓度提供的局域光子态密度的不同，会影响NV色心的自发辐射速率，因此，测量NV色心的自发辐射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“金刚石NV色心”和“金刚石中NV色心”含义相同。术语“NV色心自发辐射速率测量系统”是指能够实现NV色心自发辐射速率测量的系统，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；
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色心的自发辐射速率；
图2示意自发辐射荧光探测系统的结构图。图3为根据本公开一实施例所示的NV色心自发辐射速率测量系统。
本实施例中，利用图3所示意的系统实现金刚石中NV色心的自发辐射速率的测量。
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色心的自发辐射速率。
参照图3所示，NV色心自发辐射速率测量系统，包括：自发辐射荧光探测系统21、时间幅度转换器22、第二脉冲激光器23、多通道分析仪24和计算机25。其中，自发辐射荧光探测系统21用于实现NV色心的荧光探测；时间幅度转换器22，与自发辐射荧光探测系统21和第二脉冲激光器23均相连，在第二脉冲激光器23和自发辐射荧光探测系统21发出的控制信号下分别实现记录时间的开始与停止，并将记录到的时间间隔转换为幅度信息；多通道分析仪24，与时间幅度转换器22相连，将得到的幅度信息进行统计分析；以及计算机25，实现数据的处理与存储。
本实施例中，参照图2所示，自发辐射荧光探测系统21，包含：第一脉冲激光器1、双色镜2、显微镜物镜3、长通滤光片5和单光子计数模块6，其中，第一脉冲激光器1和双色镜2处于第一轴向，显微镜物镜3、双色镜2、长通滤光片5和单光子计数模块6处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直。
参照图3所示，利用测量NV色心自发辐射速率测量系统测量金刚石中NV色心的自发辐射速率的测量方法如下：
第二脉冲激光器23发出时间宽度为ps(皮秒，10-12s)的脉冲激光，同时输出TTL信号到时间幅度转换器22中，时间幅度转换器22开始记录时间；自发辐射荧光探测系统21探测到NV色心的荧光后由单光子计数模块6输入一个TTL信号至时间幅度转换器22中停止记录时间，而后时间幅度转换器22将记录到的时间间隔转换为幅度信息输入到多通道分析仪24中。多通道分析仪24将得到的幅度信息进行统计分析，在计算机25中显示NV色心荧光的e指数衰减曲线，对曲线进行拟合可得到NV色心的自发辐射速率。
其中，参照图2所示，测量NV色心荧光的光路情况如下：第一脉冲激光器1发出的脉冲激光由双色镜2反射后进入显微镜物镜3中，而后聚焦照射到金刚石中NV色心4上。NV色心4辐射出的荧光经由显微镜物镜3收集后依次透过双色镜2、长通滤光片5，进入单光子计数模块6实现对NV色心荧光的记录，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5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6记录NV色心4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。
图4和图5分别为本公开一实施例所示的NV色心荧光能级在无外界载流子和有外界载流子作用下辐射跃迁通道改变的对比示意图。
参照图4和图5来说明本步骤S12的测量原理。
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。如图4所示，在受到激光照射时金刚石中NV色心可被泵浦到激发态。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。此时的跃迁通道为，从激发态|±1＞能级到基态|±1＞能级；从激发态|0＞能级到基态|0＞能级；以及通过非辐射跃迁从激发态|±1＞能级到基态|0＞能级。当外界载流子存在时，自发辐射跃迁通道如图5所示，与图4中的跃迁通道相比，多出了从激发态|0＞能级到基态|±1＞能级的跃迁通道，因此，自发辐射速率会加快。
步骤S13：基于金刚石中NV色心的自发辐射速率，并根据金刚石中NV色心自发辐射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；
在一些实施例中，标定关系曲线采用载流子可控的样品进行标定，该载流子可控的样品为ITO/Al2O3/Au异质结结构。
本实施例中，通过理论分析和推导，金刚石中NV色心自发辐射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色心自发辐射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色心自发辐射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色心的自发辐射速率，读出待测样品中的载流子浓度。
当然，基于图4和图5所示的理论分析，可以定性地知道金刚石中NV色心自发辐射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色心的自发辐射速率，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，对于金属和半导体，介电常数和载流子浓度的关系可以利用Drude模型描述：
Figure BDA0001879576360000081
其中，ε为金属或半导体的介电常数；ε∞为金属或半导体的高频介电常数；ωp为表面等离子体频率；ω是自发辐射的频率，对于NV色心通常选取零声子线对应的频率，即673nm的波长对应的频率；Γs是金属或半导体对光的损耗导致的弛豫常数。
公式(1)中，表面等离子体频率ωp和载流子浓度n的关系满足：
Figure BDA0001879576360000082
其中，n是载流子浓度；e是元电荷；ε0是真空介电常数；m*是载流子的有效质量。
待测样品和金刚石中NV色心界面处的反射系数r为：
Figure BDA0001879576360000083
其中，εdia为NV色心载体的介电常数，本实施例中即为金刚石的介电常数；ε为待测样品的介电常数。
载流子导致的自发辐射速率的变化Γ为：
Figure BDA0001879576360000084
其中，k为金刚石中的波矢；d为NV色心与待测样品的距离；Re[*]表示取复数的实部函数；x表示积分变量；r为待测样品和金刚石中NV色心界面处的反射系数。上述公式(4)已对空气中的金刚石NV色心作了归一化。
因此，由上述公式(1)～(4)可以导出载流子浓度和金刚石中NV色心自发辐射速率的关系。结合公式(1)～(4)可知，上述公式给出的关系曲线近似呈线性。
将载流子浓度变化Δn和金刚石NV色心自发辐射速率变化量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(5)所示：
y＝ax+b (5)
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(6)和(7)给出拟合曲线：
Figure BDA0001879576360000091
Figure BDA0001879576360000092
解由公式(6)和(7)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 (8)
图6为根据本公开一实施例所示的拟合的载流子浓度和NV色心自发辐射速率之间的关系曲线。如图6所示，待测样品载流子浓度与金刚石中NV色心自发辐射速率呈线性关系。
最终，基于金刚石中NV色心的自发辐射速率，并根据金刚石中NV色心自发辐射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3为根据本公开一实施例所示的载流子浓度测量系统。
参照图3所示，本公开的载流子浓度的测量系统为一NV色心自发辐射速率测量系统，该测量系统包括：自发辐射荧光探测系统21、时间幅度转换器22、第二脉冲激光器23、多通道分析仪24和计算机25；其中，自发辐射荧光探测系统21用于实现NV色心的荧光探测；时间幅度转换器22，与自发辐射荧光探测系统21和第二脉冲激光器23均相连，在第二脉冲激光器23和自发辐射荧光探测系统21发出的控制信号下分别实现记录时间的开始与停止，并将记录到的时间间隔转换为幅度信息；多通道分析仪24，与时间幅度转换器22相连，将得到的幅度信息进行统计分析；以及计算机25，实现数据的处理与存储。
本实施例中，参照图2所示，自发辐射荧光探测系统21，包含：第一脉冲激光器1、双色镜2、显微镜物镜3、长通滤光片5和单光子计数模块6，其中，第一脉冲激光器1和双色镜2处于第一轴向，显微镜物镜3、双色镜2、长通滤光片5和单光子计数模块6处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直。
参照图3所示，利用测量NV色心自发辐射速率测量系统测量金刚石中NV色心的自发辐射速率的测量方法如下：
第二脉冲激光器23发出时间宽度为ps(皮秒，10-12s)的脉冲激光，同时输出TTL信号到时间幅度转换器22中，时间幅度转换器22开始记录时间；自发辐射荧光探测系统21探测到NV色心的荧光后由单光子计数模块6输入一个TTL信号至时间幅度转换器22中停止记录时间，而后时间幅度转换器22将记录到的时间间隔转换为幅度信息输入到多通道分析仪24中。多通道分析仪24将得到的幅度信息进行统计分析，在计算机25中显示NV色心荧光的e指数衰减曲线，对曲线进行拟合可得到NV色心的自发辐射速率。
其中，参照图2所示，测量NV色心荧光的光路情况如下：第一脉冲激光器1发出的脉冲激光由双色镜2反射后进入显微镜物镜3中，而后聚焦照射到金刚石中NV色心4上。NV色心4辐射出的荧光经由显微镜物镜3收集后依次透过双色镜2、长通滤光片5，进入单光子计数模块6实现对NV色心荧光的记录，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5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6记录NV色心4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。
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提供的局域光子态密度的不同，会影响NV色心的自发辐射速率的特性，测量NV色心的自发辐射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 (10)

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；
测量金刚石中NV色心的自发辐射速率；以及
基于金刚石中NV色心的自发辐射速率，并根据金刚石中NV色心自发辐射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。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述金刚石中NV色心自发辐射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色心自发辐射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色心自发辐射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或2所述的测量方法，其中，所述标定关系曲线采用载流子可控的样品进行标定，该载流子可控的样品为ITO/Al2O3/Au异质结结构。
5.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色心的自发辐射速率利用NV色心自发辐射速率测量系统进行测量，该NV色心自发辐射速率测量系统，包括：自发辐射荧光探测系统、时间幅度转换器、第二脉冲激光器、多通道分析仪和计算机；
其中，自发辐射荧光探测系统，用于实现NV色心的荧光探测；时间幅度转换器，与自发辐射荧光探测系统和第二脉冲激光器均相连，在第二脉冲激光器和自发辐射荧光探测系统发出的控制信号下分别实现记录时间的开始与停止，并将记录到的时间间隔转换为幅度信息；多通道分析仪，与时间幅度转换器相连，将得到的幅度信息进行统计分析；以及计算机，实现数据的处理与存储。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其中，所述测量金刚石中NV色心的自发辐射速率的方法，包括：
第二脉冲激光器发出时间宽度为皮秒的脉冲激光，同时输出TTL信号到时间幅度转换器中，时间幅度转换器开始记录时间；
自发辐射荧光探测系统探测到NV色心的荧光后输入一个TTL信号至时间幅度转换器中停止记录时间，而后时间幅度转换器将记录到的时间间隔转换为幅度信息输入到多通道分析仪中；以及
多通道分析仪将得到的幅度信息进行统计分析，在计算机中显示NV色心荧光的e指数衰减曲线，并对曲线进行拟合处理得到NV色心的自发辐射速率。
7.根据权利要求5或6所述的测量方法，其中，所述自发辐射荧光探测系统包含：第一脉冲激光器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；
其中，第一脉冲激光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；
所述第一脉冲激光器发出的脉冲激光由双色镜反射后进入显微镜物镜中，而后聚焦照射到金刚石中NV色心上；NV色心辐射出的荧光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，实现对NV色心荧光的记录。
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。
9.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述待测样品为金属、半导体、或拓扑绝缘体材料。
10.一种载流子浓度的测量系统，其特征在于，该载流子浓度的测量系统为一NV色心自发辐射速率测量系统，所述NV色心自发辐射速率测量系统，包括：自发辐射荧光探测系统、时间幅度转换器、第二脉冲激光器、多通道分析仪和计算机；
其中，自发辐射荧光探测系统，用于实现NV色心的荧光探测；时间幅度转换器，与自发辐射荧光探测系统和第二脉冲激光器均相连，在第二脉冲激光器和自发辐射荧光探测系统发出的控制信号下分别实现记录时间的开始与停止，并将记录到的时间间隔转换为幅度信息；多通道分析仪，与时间幅度转换器相连，将得到的幅度信息进行统计分析；以及计算机，实现数据的处理与存储。
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