CN110095431A - 基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，利用太赫兹频段内的电磁波分别对标准衬底和镧锶锰氧待测样品进行测试，得到二者的时域太赫兹透射光谱；将二者的太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到标准衬底频域太赫兹透射光谱。根据标准衬底频域太赫兹透射光谱与样品频域太赫兹透射光谱，计算待测样品在太赫兹频段内的光电导，由此进一步可以根据Drude‑Smith电导公式估算弯曲的镧锶锰氧的电子浓度与有效质量的比值，电子驰豫时间以及电子局域化信息。太赫兹频段的电磁波穿透性强，无接触，不需制备电极，操作简单，对待测样品无破坏性，检测弯曲的镧锶锰氧效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法。
背景技术
近年来，对电子产品轻、薄、柔性可穿戴的要求日益增加，对某些电子产品的柔性可弯曲、可折叠等方面成为和高性能同等重要的需求。钙钛矿氧化物薄膜具有丰富的物理特性，例如：良好的导电性、铁电性、压电特性、光电响应、非线性光学特性以及巨磁阻效应等。以镧锶锰氧为代表的钙钛矿薄膜具制备工艺比较成熟且可以与大规模集成电路工艺兼容的优点。在本此研究中，我们采用云母作为衬底的镧锶锰氧薄膜来制备柔性电子皮肤材料并研究其太赫兹光电特性。利用THz TDS测量了处于展平状态以及曲率分别为10 mm，8mm和5 mm弯曲状态下镧锶锰氧薄膜的THz光电响应特性。基于上述的实验数据处理方法，获得了不同弯曲状态下样品THz光电导率的实部和虚部。可见，光电导率的实部（虚部）随辐照频率的增加而增加（减小）。应用Drude-Smith光电导公式，拟合理论和实验结果，获得镧锶锰氧薄膜在不同弯曲状态的电子浓度/电子有效质量比值、电子驰豫时间和局域化因子等关键物理参数。结果表明，镧锶锰氧薄膜从展平到弯曲状态下，电子浓度/电子有效质量比值（电子弛豫时间）随曲率的增加而减小（增大）。由此可见，THz TDS技术在对不同弯曲状态下功能材料物理特性的表征和研究领域具有不可替代的测量技术优势。
发明内容
针对目前的弯曲的镧锶锰氧的检测方法较为复杂，不便于快速检测的问题，本发明提供了一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，包括下列步骤：
（1）利用太赫兹频段内的电磁波对标准衬底进行测量，得到标准衬底的时域太赫兹透射光谱；将标准衬底时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到标准衬底频域太赫兹透射光谱；
（2）利用太赫兹频段内的电磁波对待测样品进行测量，得到待测样品的时域太赫兹透射光谱；将待测样品时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到待测样品频域太赫兹透射光谱；
（3）根据标准衬底频域太赫兹透射光谱与样品频域太赫兹透射光谱，计算待测样品在太赫兹频段内的光电导，由此进一步可以根据Drude-Smith电导公式估算弯曲的镧锶锰氧的电子浓度与有效质量的比值，电子驰豫时间以及电子局域化信息。
待测样品在太赫兹频段的光电导计算通过下面的公式计算：
其中，E样品(ω)是样品的傅里叶变换量，E衬底（ω）衬底的傅里叶变换量，n=1.85是衬底云母的折射率；Z0=377Ω是真空阻抗，通过公式一可以求出样品的复电导。
通过上面的透射式太赫兹时域光谱，我们可以求出样品在太赫兹波段的光电导；另外一方面，理论上已经有比较成熟的Drude-Smith光电导模型。通过实验测量到的材料样品光电导率实部和虚部的频谱与理论公式拟合，可获得样品的基本物理参数，如电子浓度与有效质量的比值、电子驰豫时间以及电子局域化信息。 Drude-Smith公式为：
其中，这里 σ0 = Nee2τ/m∗， Ne 为样品中的电子浓度， τ 为电子的弛豫时间， m∗ 为样品中电子的有效质量。这样，我们可以应用试验测量到的样品实部 σ1(ω)、虚部 σ2(ω)电导数据与 Drude -Smith公式拟合，获得样品的电子浓度、电子弛豫时间电子局域化信息。
优选的，采用如下测量系统进行测量：该系统包括激光器、光学延迟装置、太赫兹发射器、太赫兹接收器和样品台；
所述激光器发射两束光，其中一束为泵浦光，另一束为探测光，作为泵浦光的飞秒激光脉冲辐照在太赫兹发射器上产生光生载流子，通过光整流效应实现皮秒脉宽的太赫兹脉冲激发，太赫兹光束经聚乙烯透镜准直后聚焦于待测样品上，透过待测样品的光束再经聚乙烯透镜准直后聚焦于太赫兹接收器上；作为探测光的飞秒激光脉冲经过光学延迟装置后也同时聚焦于太赫兹接收器上，产生光生载流子并实现电子的能量和动量激发，而太赫兹光束将调制光生载流子及其相关电子响应信号，有、无太赫兹光束时光电导天线测量到的电压或电流差正比于太赫兹光电场强度，进而实现太赫兹脉冲的探测。
优选的，所述光学延迟装置包括光学导轨和控制器，光机元件沿光学导轨移动，使太赫兹时域光谱系统中的泵浦光和探测光产生时间延迟；所述控制器用于控制光机元件沿光学导轨的移动，调节探测光和泵浦光之间的光程差，即时间延迟，得到样品不同位置处的透射光谱。
优选的，所述光学延迟装置为150 mm线性电动位移台，型号为NRT150；所述控制器为三通道APT台式步进电机控制器，型号为BSC203，用于控制电动位移台。
优选的，待测样品弯曲的曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平状态，待测样品的大小控制在3mm-8mm，厚度均匀。将待测样品弯曲成不同的弧度后放置在矩形槽里，进行不同曲率的检测。
优选的，所述样品台为连续流低温恒温器，型号为Janis ST-500；所述样品固定设置在所述样品台的样品室内，样品室温度为300K。
优选的，所述激光器为光纤飞秒激光器。
优选的，所述太赫兹发射器和太赫兹接收器均为InGaAs 光电导天线。
优选的，所述标准衬底为云母。
本发明的有益效果在于：
本发明基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，利用弯曲的镧锶锰氧在太赫兹频段的电磁波的时域光谱的太赫兹峰值测量弯曲的镧锶锰氧，太赫兹频段的电磁波穿透性强，无接触，不需制备电极，操作简单，对待测样品无破坏性，检测弯曲的镧锶锰氧效果较好，不需要对弯曲的镧锶锰氧做额外的处理，检测方便、快捷。
附图说明
图1是本发明基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法中测量系统的示意图；
图中标号：1激光器，2探测光，3泵浦光，4光学延迟装置，5太赫兹发射器，6太赫兹接收器，7待测样品；8、9准直透镜，10、11聚焦透镜。
图2是镧锶锰氧薄膜在曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平（infinite）状态下的太赫兹时域波形（a）和频域峰值和相位（b）；
图3是镧锶锰氧薄膜在曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平（infinite）状态下的拟合参数。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，包括下列步骤：
（1）利用太赫兹频段内的电磁波对标准衬底进行测量，得到标准衬底的时域太赫兹透射光谱；将标准衬底时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到标准衬底频域太赫兹透射光谱；标准衬底为云母。
（2）利用太赫兹频段内的电磁波对待测样品进行测量，得到待测样品的时域太赫兹透射光谱；将待测样品时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到待测样品频域太赫兹透射光谱。
（3）根据标准衬底频域太赫兹透射光谱与样品频域太赫兹透射光谱，计算待测样品在太赫兹频段内的光电导，由此进一步可以根据Drude-Smith电导公式估算弯曲的镧锶锰氧的电子浓度与有效质量的比值，电子驰豫时间以及电子局域化信息。
待测样品在太赫兹频段的光电导计算通过下面的公式计算：
其中，E样品(ω)是样品的傅里叶变换量，E衬底（ω）衬底的傅里叶变换量，n=1.85是衬底云母的折射率；Z0=377Ω是真空阻抗，通过公式一可以求出样品的复电导。
通过上面的透射式太赫兹时域光谱，我们可以求出样品在太赫兹波段的光电导；另外一方面，理论上已经有比较成熟的Drude-Smith光电导模型。通过实验测量到的材料样品光电导率实部和虚部的频谱与理论公式拟合，可获得样品的基本物理参数，如电子浓度与有效质量的比值、电子驰豫时间以及电子局域化信息。 Drude-Smith公式为：
其中，这里 σ0 = Nee2τ/m∗， Ne 为样品中的电子浓度， τ 为电子的弛豫时间， m∗ 为样品中电子的有效质量。这样，我们可以应用试验测量到的样品实部 σ1(ω)、虚部 σ2(ω)电导数据与 Drude -Smith公式拟合，获得样品的电子浓度、电子弛豫时间电子局域化信息。
步骤（1）和（2）中采用如下测量系统进行测量：该系统包括激光器1、光学延迟装置4、太赫兹发射器5、太赫兹接收器6和放置在样品台上的待测样品7，参见图1。
激光器1为光纤飞秒激光器，发射两束光，其中一束为泵浦光3，另一束为探测光2，作为泵浦光3的飞秒激光脉冲辐照在太赫兹发射器上产生光生载流子，通过光整流效应实现皮秒脉宽的太赫兹脉冲激发，太赫兹光束依次经过准直透镜8和聚焦透镜10，聚焦于待测样品7上，透过待测样品的光束再依次经过准直透镜9和聚焦透镜11聚焦于太赫兹接收器6上；准直透镜8、9和聚焦透镜10、11均为聚乙烯透镜；作为探测光2的飞秒激光脉冲经过光学延迟装置4后也同时聚焦于太赫兹接收器6上，产生光生载流子并实现电子的能量和动量激发，而太赫兹光束将调制光生载流子及其相关电子响应信号，有、无太赫兹光束时光电导天线测量到的电压或电流差正比于太赫兹光电场强度，进而实现太赫兹脉冲的探测。
光学延迟装置4包括光学导轨和控制器，光机元件沿光学导轨移动，使太赫兹时域光谱系统中的泵浦光和探测光产生时间延迟；控制器用于控制光机元件沿光学导轨的移动，调节探测光和泵浦光之间的光程差，即时间延迟，得到样品不同位置处的透射光谱。光学延迟装置具体为150 mm线性电动位移台，型号为NRT150；控制器为三通道APT台式步进电机控制器，型号为BSC203，用于控制电动位移台。
太赫兹发射器5和太赫兹接收器6均为InGaAs 光电导天线。
样品台为连续流低温恒温器，型号为Janis ST-500；待测样品7固定设置在样品台的样品室内，样品室温度为300K。待测样品弯曲的曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平状态下，分别进行测量，且待测样品的大小控制在3mm-8mm，厚度均匀。
图2中的左图是镧锶锰氧薄膜在曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平（infinite）状态下的太赫兹时域波形，右图是其频域峰值和相位。图3是镧锶锰氧薄膜在曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平（infinite）状态下的实验计算的电导率实部和虚部与理论Drude-Smith公式电导率的拟合。
从图2、图3中可以看出：镧锶锰氧薄膜随着曲率的变化，太赫兹透射脉冲也发生相应的变化，在频域主要体现在幅值的改变，进而影响镧锶锰氧薄膜在不同曲率下的电导率。结论是通过太赫兹时域光谱可得到镧锶锰氧薄膜在不同曲率下的电子浓度和有效质量的比值、电子弛豫时间和电子局域化因子。
镧锶锰氧薄膜在不同弯曲状态下的拟合参数如下表1所示：
从表1中可以看出镧锶锰氧薄膜随着曲率的增大，电子浓度/电子有效质量的比值变小；电子弛豫时间变大，电子局域化程度变小。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (9)
1.一种基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）利用太赫兹频段内的电磁波对标准衬底进行测量，得到标准衬底的时域太赫兹透射光谱；将标准衬底时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到标准衬底频域太赫兹透射光谱；
（2）利用太赫兹频段内的电磁波对镧锶锰氧待测样品进行测量，得到待测样品的时域太赫兹透射光谱；将待测样品时域太赫兹透射光谱进行傅里叶变换，得到待测样品频域太赫兹透射光谱；
（3）根据标准衬底频域太赫兹透射光谱与样品频域太赫兹透射光谱，计算待测样品在太赫兹频段内的光电导，由此进一步可以根据Drude-Smith电导公式估算弯曲的镧锶锰氧的电子浓度与有效质量的比值，电子驰豫时间以及电子局域化信息。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，采用如下测量系统进行测量：该系统包括激光器、光学延迟装置、太赫兹发射器、太赫兹接收器和样品台；
所述激光器发射两束光，其中一束为泵浦光，另一束为探测光，作为泵浦光的飞秒激光脉冲辐照在太赫兹发射器上产生光生载流子，通过光整流效应实现皮秒脉宽的太赫兹脉冲激发，太赫兹光束经聚乙烯透镜准直后聚焦于待测样品上，透过待测样品的光束再经聚乙烯透镜准直后聚焦于太赫兹接收器上；作为探测光的飞秒激光脉冲经过光学延迟装置后也同时聚焦于太赫兹接收器上，产生光生载流子并实现电子的能量和动量激发，而太赫兹光束将调制光生载流子及其相关电子响应信号，有、无太赫兹光束时光电导天线测量到的电压或电流差正比于太赫兹光电场强度，进而实现太赫兹脉冲的探测。
3.根据权利要求2所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述光学延迟装置包括光学导轨和控制器，光机元件沿光学导轨移动，使太赫兹时域光谱系统中的泵浦光和探测光产生时间延迟；所述控制器用于控制光机元件沿光学导轨的移动，调节探测光和泵浦光之间的光程差，即时间延迟，得到样品不同位置处的透射光谱。
4.根据权利要求3所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述光学延迟装置为150 mm线性电动位移台，型号为NRT150；所述控制器为三通道APT台式步进电机控制器，型号为BSC203，用于控制电动位移台。
5.根据权利要求3所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，待测样品弯曲的曲率分别为10mm，8mm，5mm和展平状态，待测样品的大小控制在3mm-8mm，厚度均匀。
6.根据权利要求5所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述样品台为连续流低温恒温器，型号为Janis ST-500；所述样品固定设置在所述样品台的样品室内，样品室温度为300K。
7.根据权利要求3所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述激光器为光纤飞秒激光器。
8.根据权利要求3所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述太赫兹发射器和太赫兹接收器均为InGaAs 光电导天线。
9.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量弯曲的镧锶锰氧电子浓度的方法，其特征在于，所述标准衬底为云母。
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