CN112666126B - 一种二维材料光/电性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维材料光/电性能测试系统，可对热/电/光应力变化条件下二维材料的复折射率和电阻/电导率等参数进行综合测试。该系统由电参数检测模组、光参数检测模组、旋转载物台、温控模组、电极载玻片和数据处理模块组成。其中，电极载玻片的主体为透明绝缘介质，在透明绝缘介质上表面固定若干薄膜电极，形成若干固定的测试区域，测试区域包括二探针法电阻/电导率测试区域、四探针法电阻/电导率测试区域。电参数检测模组包括多路电流/电压源和电压/电流数据采集器；温控模组用于对电极载玻片进行加热/制冷控制；光参数检测模组包括光源模块、光路模块、光检测模块；电参数检测模组和光参数检测模组均连接数据处理模块。

Description

一种二维材料光/电性能测试系统

技术领域

本发明属于检测技术领域，特别涉及一种二维材料光/电性能测试系统。

背景技术

二维材料由于具有独特的电学和光学特性，如高载流子迁移率、宽谱响应、具有强非线性光学特性能与光强烈相互作用等，因此在高性能、新型光电子器件等方面显示出巨大的应用潜力，已成为研究热点。相应器件的性能强烈依赖于二维材料本身的性能，如二维材料的复折射率、电导率、热导率等性能参数极大的影响器件的工作性能(调制深度、调制速率、插入损耗、带宽等)，所以对二维材料性能参数的检测对相关材料和器件的研究都非常重要。

由于二维材料厚度很薄，常规的体块材料的性能检测方式不能直接用于二维材料性能参数的检测。而常用的薄膜材料折射率的测试方法主要使用的是椭偏法，利用椭偏仪获得入射光和反射光的偏振态信息处理得到薄膜材料光学性质，但是椭偏仪对于近似透明的极薄的二维材料的测量精度会下降。此外，常用的薄膜材料电导率的测试方法主要有四探针法和交流阻抗法，但是对于极薄的二维材料使用探针检测的力度不容易控制并会对检测结果有重要的影响，且检测重复性无法保证。此外现有的检测设备和方法均为单一的检测薄膜材料的电或光特性，无法同时获得电和光参数，亦无法直接检测薄膜材料性能参数随热、电应力的变化，所得结果适用范围有限。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种二维材料光/电性能测试系统，可对热/电应力变化条件下二维材料的复折射率和电阻/电导率等性能参数进行检测。

技术方案：一种二维材料光/电性能测试系统，包括：电参数检测模组、光参数检测模组、旋转载物台、温控模组、电极载玻片以及数据处理模块；

所述电极载玻片的主体为透明绝缘介质，在所述透明绝缘介质上表面固定若干薄膜电极，用于承载被测二维材料以便进行电阻/电导率和/或复折射率进行测试；

所述电极载玻片设置在旋转载物台上；

所述电参数检测模组包括电源模块和电信号检测模块，所述电源模块用于向所述电极载玻片的薄膜电极提供所多路电流/电压源，所述电信号检测模块用于从所述电极载玻片的薄膜电极采集电流/电压数据；

所述光参数检测模组包括光源模块、光路模块、光检测模块，所述光源模块用于发出检测光，并经所述光路模块照射到所述电极载玻片表面，所述光检测模块用于采集电极载玻片反射并经光路模块输出的光；所述光源模块还用于光电导率测试的光源；

所述温控模组用于对所述电极载玻片进行加热/制冷控制；

所述电参数检测模组和光参数检测模组均连接所述数据处理模块。

进一步的，所述电极载玻片上的薄膜电极分成多个不同的测试区域，对应不同尺寸的待测二维材料，和/或不同的测试方法，所述测试方法包括用二探针法电阻/电导率测试法、四探针法电阻/电导率测试法对电性能参数进行测试。

进一步的，在所述电极载玻片的透明绝缘介质下表面也设有薄膜电极并与上表面的薄膜电极相连，在所述电极载玻片上表面的中央设置微型电池，所述微型电池用于向所述透明绝缘介质的上表面薄膜电极和下表面薄膜电极之间提供电压，来改变二维材料测试过程中的垂直电场强度。

进一步的，所述二探针法电阻/电导率测试区域的薄膜电极为环形或扇环形。

进一步的，所述光参数检测模组中，所述光源模块包括单波长光源，所述光路模块包括光环形器、单模光纤和单模锥形光纤，所述光检测模块包括分区光检测器；所述单波长光源通过第一单模光纤与光环形器第一端口连接，光环形器第二端口与末端为锥形的单模锥形光纤相连，所述单模锥形光纤的末端垂直于所述电极载玻片表面；所述光环形器的第三端口与第二单模光纤相连，第二单模光纤的末端与分区光检测器垂直相对，并使输出光斑中心与所述分区光检测器的分区中心重合。

进一步的，所述旋转载物台包括载物台台面或吸盘。

进一步的，所述温控模组包括用于进行非接触式加热的光源或微波产生模块。

进一步的，所述旋转载物台包括电机驱动旋转机构或手动驱动旋转机构。

进一步的，所述旋转载物台包括驱动所述载物台台面上下运动的升降杆，所述温控模组包括设置在载物台台面下方的接触式加热/制冷模块。

进一步的，所述温控模组包括固定在所述电极载玻片下表面或载物台台面上的接触式加热/制冷模块。

有益效果：(1)相比现有的电光测试系统，该系统可以综合测量被测件电、光参数随温度、电压和光照条件的变化，体现热、电、光应力对电、光性能参数的影响。

(2)相比现有的复折射率检测方案，该系统提供了简便易测稳定的检测方案。

(3)相比于现有的电参数检测方法，提供了标准化的、重复性好、简便的测试方法。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明系统采用接触式温控方案的示意图；

图3为本发明系统采用非接触式温控方案的示意图；

图4为本发明系统中光参数检测模组的结构示意图；、

图5为本发明系统中电极载玻片俯视图及被测二维材料位置示意图；

图6为本发明系统中电极载玻片剖面图；

图中：1-电极载玻片，2-旋转载物台，3-接触式加热/制冷模块，4-非接触式加热/制冷模块，5-单波长光源，6-光环形器，7-分区光检测器，8-待测二维材料，9-薄膜电极，10-外接电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：

如图1所示，一种二维材料光/电性能测试系统，包括：电参数检测模组、光参数检测模组、旋转载物台、温控模组、电极载玻片以及数据处理模块。

旋转载物台可以有台面或者没有台面，有台面时候电极载玻片设置在台面上，没有台面时电极载玻片通过吸盘吸附或直接固定在支撑杆顶部。电极载玻片的主体为透明绝缘介质，如SiO₂，在透明绝缘介质上表面固定若干薄膜电极，用于承载被测二维材料以便进行电阻/电导率和/或复折射率进行测试。电极载玻片上的薄膜电极分成多个不同的测试区域，对应不同尺寸的待测二维材料，和/或不同的测试方法，测试方法包括二探针法电阻/电导率测试法、四探针法电阻/电导率测试法。

如图5、图6所示，本实施例中，在圆形透明绝缘介质上表面的左右两侧分别设有二探针法电阻/电导率测试区域，两块测试区域均由两条环形薄膜电极构成，但环形薄膜电极之间的间距不同，用于对应不同尺寸的待测二维材料。在圆形透明绝缘介质上表面的另外两侧分别设有四探针法电阻/电导率测试区域，两块区域分别由四根条形薄膜电极构成，两块区域分布对应不同尺寸的待测二维材料。在电极载玻片的透明绝缘介质下表面也设有薄膜电极，并在电极载玻片的透明绝缘介质上表面中央相对设有薄膜电极，在透明绝缘介质中央还设置微型电池，该微型电池用于向透明绝缘介质的上表面中央的薄膜电极和下表面薄膜电极之间提供电压，形成背栅电压区来改变二维材料测试过程中的垂直电场强度。该电极载玻片的一种制备方案为通过对ITO玻璃上的透明电极进行刻蚀，或者利用蒸镀的方式在透明绝缘介质上面制作电极，并使用弹性金属夹、导电胶粘接外引线等方式与外电路相连。

电参数检测模组包括电源模块和电信号检测模块，电源模块用于向电极载玻片的电极提供多路可调电流/电压源，电信号检测模块用于从电极载玻片的电极采集电流/电压数据。电信号检测模块可用示波器、或万用表等实现。电极载玻片上的薄膜电极通过外接电极连接到电参数检测模组。光参数检测模组包括光源模块、光路模块、光检测模块，光源模块用于发出检测光，并经光路模块照射到电极载玻片表面，光检测模块用于采集电极载玻片反射并经光路模块输出的光。温控模组用于对电极载玻片进行加热/制冷控制。电参数检测模组和光参数检测模组均连接数据处理模块，数据处理模块可以为电脑，用于收集各模组的数据并进行参数计算等数据处理，数据处理模块连接显示模块。

光参数检测模组中，光源模块包括单波长光源，光路模块包括光环形器、单模光纤和单模锥形光纤，光检测模块包括分区光检测器。单波长光源通过第一单模光纤与光环形器第一端口连接，光环形器第二端口与末端为锥形的单模锥形光纤相连，单模锥形光纤的末端垂直于所述电极载玻片表面。光环形器的第三端口与第二单模光纤相连，第单模光纤的末端与分区光检测器垂直相对，并使输出光斑中心与分区光检测器的分区中心重合，使得在检测器不同分区的光斑覆盖面积相等且面积较大。

如图2所示，本实施例中，旋转载物台包括驱动电极载玻片上下运动的升降杆，升降杆底部设置电机驱动旋转机构，电极载玻片通过真空吸附或机械连接方式固定在升降杆的顶部或升降杆顶部的载物台台面上。温控模组包括设置在电极载玻片下方的接触式加热/制冷模块。

仅需要检测光性能参数时，将待测二维材料转移到电极载玻片的表面无薄膜电极覆盖区域；需要检测电、光性能参数时，根据待测二维材料尺寸将待测二维材料覆盖合适的测试区域，如图5所示。在测试过程中，电极载玻片表面根据电极分布和待测二维材料的分布情况分成：有电极无覆二维材料、无电极无覆二维材料、有电极有覆二维材料和无电极有覆二维材料四种不同状态的区域。

具体的，在进行二维材料复折射率测试过程中，光源模块发送的光经光路模块照射到电极载玻片表面并反射回光路模块，并在光检测模块表面形成远场图样。检测过程中电极载玻片由旋转载物台带动转动，使得光斑能够交替照射在电极载玻片表面的无电极无覆二维材料、二维材料边缘区域、无电极有覆二维材料的区域，分区光检测器得到不同分区检测信号的加减结果随时间的变化，这两种结果随电极载玻片表面被照区域类型的不同而不同，根据这些结果可计算得出被测二维材料的复折射率、折射率和吸收率。

在上述二维材料的复折射率检测的基础上，利用介电常数与复折射率的关系式，在二维材料的磁导率为1的情况下，可通过复折射率推出二维材料的介电常数。

在进行二维材料电阻/电导率检测的过程中，将待测二维材料盖的测试区域的薄膜电极与电源模块和电信号检测模块相连接，利用两探针法或四探针法等进行材料电阻/电导率的测试，并可以通过不同电极宽度、间距等来比较接触电阻的不同。举例来说，如图5所示，利用左侧的测试区域可以实现两探针法电阻测量，通过恒流源或恒压源给薄膜电极间的二维材料上电，利用电流表测量电极间的电流I和利用电压表电极两端的电压大小U，之后根据欧姆定律得到二维材料的电阻/电导率。此外，利用上方的测试区域可以实现方形四探针法电阻测量，使用恒流源给内侧两个电极2、3通电，得到2、3电极之间电流I₂₃，使用电压表测量外侧两电极1、4间的电压U₁₄，根据公式R＝(2πU₁₄)/(I₂₃ln2)，得到被测二维材料电阻。再利用表面电阻/导率和电阻之间的关系，计算该膜材料的表面电阻/导率。

此外，在光源照射情况下进行电导率的测试，可以得到光电导率。

本实施例中，温控模组采用接触式，控制升降杆下降后，电极载玻片与加热/制冷模块接触，实现接触式温度控制；在进行二维材料复折射率测试过时，控制升降杆上升，使得电极载玻片与加热/制冷模块分开，便于电极载玻片旋转。透明绝缘介质下表面可以覆盖一层完整的薄膜电极，也可根据需要只覆盖部分区域。微型电池为电极载玻片正面电极和背面电极之间提供电压，用于改变二维材料性能参数检测过程中的垂直电场强度，该片上电池可随玻片一起转动，用于实现给定电场条件下的光特性参数检测。

实施例2：

与实施例1的区别仅在于，温控模组包括用于进行非接触式加热的激光器或微波产生模块。如图3所示，激光器或微波产生模块进行非接触式加热，根据所需温度采用定时长照射，或根据温度检测模块反馈结果进行反馈控制脉冲照射，如采用红外热像仪进行表面测温。

该方案中如果采用微波辐射源作为热源，在旋转载物台无台面时在电极载玻片底部敷设具有较好微波吸收效果的材料，或在旋转载物台有台面时在台面底部敷设具有较好微波吸收效果的材料，如SiC来提高加热效率。采用光照加热的方式时，为了提高光吸收效率，在旋转载物台无台面时在电极载玻片底部涂抹光吸收率高的材料，或在旋转载物台有台面时在台面底部涂抹光吸收率高的材料，如石墨。

实施例3：

与实施例1的区别仅在于，温控模组包括固定在电极载玻片下表面或旋转载物台上表面的接触式加热/制冷模块，达到所需温度后开始电阻/电导率测试，或断开外部连线进行复折射率测试。

同时，旋转载物台包括无电机驱动的情况下的手动驱动旋转机构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，包括：电参数检测模组、光参数检测模组、旋转载物台、温控模组、电极载玻片以及数据处理模块；

所述电极载玻片的主体为透明绝缘介质，在所述透明绝缘介质上表面固定若干薄膜电极，用于承载被测二维材料以便对电阻/电导率和/或复折射率和/或介电常数和/或光电导率进行测试；

所述电极载玻片设置在旋转载物台上；

所述电参数检测模组包括电源模块和电信号检测模块，所述电源模块用于向所述电极载玻片的薄膜电极提供所多路电流/电压源，所述电信号检测模块用于从所述电极载玻片的薄膜电极采集电流/电压数据；

所述光参数检测模组包括光源模块、光路模块、光检测模块，所述光源模块用于发出检测光，并经所述光路模块照射到所述电极载玻片表面，所述光检测模块用于采集电极载玻片反射并经光路模块输出的光；所述光源模块还用于光电导率测试的光源；

所述温控模组用于对所述电极载玻片进行加热/制冷控制；

所述电参数检测模组和光参数检测模组均连接所述数据处理模块；

所述电极载玻片上的薄膜电极分成多个不同的测试区域，对应不同尺寸的待测二维材料，和/或不同的测试方法，所述测试方法包括用二探针法电阻/电导率测试法、四探针法电阻/电导率测试法对电性能参数进行测试。

2.根据权利要求1所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，在所述电极载玻片的透明绝缘介质下表面也设有薄膜电极并与上表面的薄膜电极相连，在所述电极载玻片上表面的中央设置微型电池，所述微型电池用于向所述透明绝缘介质的上表面薄膜电极和下表面薄膜电极之间提供电压，来改变二维材料测试过程中的垂直电场强度。

3.根据权利要求1所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述二探针法电阻/电导率测试区域的薄膜电极为环形或扇环形。

4.根据权利要求1所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述光参数检测模组中，所述光源模块包括单波长光源，所述光路模块包括光环形器、单模光纤和单模锥形光纤，所述光检测模块包括分区光检测器；所述单波长光源通过第一单模光纤与光环形器第一端口连接，光环形器第二端口与末端为锥形的单模锥形光纤相连，所述单模锥形光纤的末端垂直于所述电极载玻片表面；所述光环形器的第三端口与第二单模光纤相连，第二单模光纤的末端与分区光检测器垂直相对，并使输出光斑中心与所述分区光检测器的分区中心重合。

5.根据权利要求1所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述旋转载物台包括载物台台面或吸盘。

6.根据权利要求1所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述温控模组包括用于进行非接触式加热的光源或微波产生模块。

7.根据权利要求1所述的二维材料光电性能测试系统，其特征在于，所述旋转载物台包括电机驱动旋转机构或手动驱动旋转机构。

8.根据权利要求5所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述旋转载物台包括驱动所述载物台台面上下运动的升降杆，所述温控模组包括设置在载物台台面下方的接触式加热/制冷模块。

9.根据权利要求5所述的二维材料光/电性能测试系统，其特征在于，所述温控模组包括固定在所述电极载玻片下表面或载物台台面上的接触式加热/制冷模块。