CN218122019U - 一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，涉及一种原位光电测试系统。本实用新型是要解决目前近场光学显微镜只能用于收集光束获得材料的光谱信息，缺少捕捉微弱电流信号的功能，不能对激光诱导的电荷产生和输运性能进行测试，无法实现高分辨率下光电性质的测量的技术问题。本系统由两个子系统组成，即扫描探针显微镜系统和引光系统；其中扫描探针显微镜系统能够用于表面形貌成像，表面电势分布成像，表面导电率成像；引光系统能够引入激光聚焦在样品表面激发，收集激光光斑的位置信息，激光聚焦位置可以精准地调节，激光可选，激光功率可调。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种原位光电测试系统。
背景技术
扫描探针显微镜可以在超高空间分辨下实现对材料形貌、力学、磁学、电学、热学等物理性质的测量，对材料科学、物理学、电子学等多个学科的发展起到了重要的推动作用。而需要指出的是，目前商用的扫描探针显微镜均无法实现对材料及器件纳米尺度下光学及光电性质的表征，从而限制了其在光电器件领域的应用，例如其无法揭示太阳能电池、发光二极管、光探测器在纳米尺度分辨下光生载流子行为特征(如产生、迁移、扩散等)及其对器件性质的影响等。尽管近十年来兴起的近场光学显微镜可以实现高空间分辨下材料光学性质(如拉曼光谱、光致发光光谱)的测量，但是受限于系统本身只能用于收集光束获得材料的光谱信息，缺少捕捉微弱电流信号的功能，不能对激光诱导的电荷产生和输运性能进行测试，无法实现高分辨率下光电性质(如光生载流子迁移、光电流分布、电势)的测量。
实用新型内容
本实用新型是要解决目前近场光学显微镜只能用于收集光束获得材料的光谱信息，缺少捕捉微弱电流信号的功能，不能对激光诱导的电荷产生和输运性能进行测试，无法实现高分辨率下光电性质的测量的技术问题，而提供一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统。
本实用新型的基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统是由扫描探针显微镜系统和引光系统组成；
所述的扫描探针显微镜系统是由微悬臂梁1及其前端的导电纳米探针2、第一激光器3、收集光束的光探测器4、控制系统5、样品台6、信号处理系统7和显示器8组成；
控制系统5的信号输出端分别与微悬臂梁1、导电纳米探针2、样品台6和信号处理系统7的信号输入端连接；信号处理系统7的信号输出端与显示器8的信号输入端连接；光探测器4的信号输出端与控制系统5的信号输入端连接；导电纳米探针2位于样品台6的上方；
所述的引光系统是由第二激光器9、卤素灯10，衰减片11、反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14、位移台15、控制器16、第二分光镜17和成像系统18组成；第二激光器9、卤素灯10，衰减片11、反射镜12、第一分光镜13和长焦物镜14均设置在位移台15上；
控制器16的的信号输出端与位移台15的信号输入端连接；第二激光器9发射的激光依次通过衰减片11、第一分光镜13透射、长焦物镜14、第二分光镜17的反射从样品台6的下方聚焦在载有样品的透明基底上；卤素灯10发射的白光依次通过反射镜12、第一分光镜13的反射、长焦物镜14、第二分光镜17的反射从样品台6的下方聚焦在载有样品的透明基底上；从样品表面反射后的激光和白光经过第二分光镜17透射到成像系统18上。
本实用新型中控制系统5能够控制导电纳米探针2和样品台6的位移，控制系统5作为传输通道将反馈信号传输至信号处理系统7；
本实用新型中引入激光(第二激光器9产生的)和白光(卤素灯10产生的)，激光可以通过衰减片11实现激光功率可调，然后依次通过反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14和第二分光镜17后聚焦在样品表面；
通过控制器16能够精准地控制固定在位移台15上的聚焦光路在X、Y、Z三个方向的移动，从而实现激光聚焦在样品表面不同的位置；
第一激光器3发出的光束打在微悬臂梁1的背面，反射后的光束通过光探测器4收集，然后控制系统5将光探测器4收集到的信号传输至信号处理系统7，处理后得到样品的微区形貌信息及光电特性信息，并在显示器8上实时显示；
需要说明的是位移台15作为一个三维精密调整装置可实现在X、Y、Z三个方向的位移，因本申请的创新性并不在于该三维精密调整装置，故对三维精密调整装置的具体结构不作详述，只要精密调整装置可以实现长焦物镜14在X、Y、Z三个方向的精密调节即可。
该系统利用多种不同的光学元器件(衰减片11、反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14、第二分光镜17)将激光和白光聚焦在载有样品的透明基底上，通过成像系统18能够实现激光斑点的成像，准确地定位激光在样品表面的位置。通过扫描探针显微镜的控制系统5收集样品的形貌信息及光电性能进行成像。
光斑位置收集系统(9-18)和样品形貌收集系统(1-8)两部分独立，可以更好地调整光斑在样品表面的位置，从而精准地控制激光对样品的激发，实现激光在样品上的局部扫描成像。
控制系统5收集导电纳米探针2反馈的信号，获得样品局部表面的光电信息，通过聚焦光束的移动使得光斑聚焦在样品表面不同位置，能够原位实时地测量光激发下材料/器件样品平面内的光电性能。
可以根据材料/器件的不同改变激光(第二激光器9产生的)的波长，选择特定的波长用于激发样品。
本系统由两个子系统组成，即扫描探针显微镜系统和引光系统；其中扫描探针显微镜系统包含元件1-8，能够用于表面形貌成像，表面电势分布成像，表面导电率成像；引光系统包含元件9-18，能够引入激光聚焦在样品表面激发，收集激光光斑的位置信息，激光聚焦位置可以精准地调节，激光可选，激光功率可调。
该系统引入激光(第二激光器9产生的)在样品表面激发，此外还能结合导电纳米探针2在样品表面施加垂直方向的电场，实现激光和电场对样品/器件的耦合作用，考虑到外部激光激发和电场作用下测量对象(如半导体纳米材料、薄膜、及其功能器件等)的物性及器件性能会发生变化，利用开尔文探针显微镜、导电原子力显微镜、压电力显微镜、静电力显微镜等实时原位测量材料的物性，如光激发下光生电荷分布、光电流分布、铁电畴及畴壁演变等。
本实用新型搭建了一个基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统。能实现纳米尺度分辨下材料及器件光电性质的测量。
本实用新型通过结合现有的扫描探针显微镜功能(如导电原子力显微镜、开尔文探针显微镜、压电力显微镜等)，该系统能实现纳米尺度分辨下材料及器件光电性质的测量，如光激发下材料/器件在外场作用下光生电荷的分布-迁移-扩散、光电流分布、铁电极化电荷-光生电荷相互作用等。
本实用新型具有如下优点：
1)可以精准地控制激光光斑在样品表面的位置，实现激光在样品的局部扫描，原位实时地测量光激发下材料/器件平面内的光电性能；
2)能够在样品表面同时施加激光和电场，实现激光和电场耦合作用下高分辨率材料/器件光电性质的测量；
3)激光波长及功率可调，根据材料/器件可选择适当波长和功率的激光激发样品/器件，更好地获得材料/器件的光电特性；
4)系统各部分独立，改装性较强，额外的成像系统用于收集材料/器件的激发信号，激光斑点位置和样品光电信息独立收集。
附图说明
图1为具体实施方式一的基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，如图1所示，具体是由扫描探针显微镜系统和引光系统组成；
所述的扫描探针显微镜系统是由微悬臂梁1及其前端的导电纳米探针2、第一激光器3、收集光束的光探测器4、控制系统5、样品台6、信号处理系统7和显示器8组成；
控制系统5的信号输出端分别与微悬臂梁1、导电纳米探针2、样品台6和信号处理系统7的信号输入端连接；信号处理系统7的信号输出端与显示器8的信号输入端连接；光探测器4的信号输出端与控制系统5的信号输入端连接；导电纳米探针2位于样品台6的上方；
所述的引光系统是由第二激光器9、卤素灯10，衰减片11、反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14、位移台15、控制器16、第二分光镜17和成像系统18组成；第二激光器9、卤素灯10，衰减片11、反射镜12、第一分光镜13和长焦物镜14均设置在位移台15上；
控制器16的的信号输出端与位移台15的信号输入端连接；第二激光器9发射的激光依次通过衰减片11、第一分光镜13透射、长焦物镜14、第二分光镜17的反射从样品台6的下方聚焦在载有样品的透明基底上；卤素灯10发射的白光依次通过反射镜12、第一分光镜13的反射、长焦物镜14、第二分光镜17的反射从样品台6的下方聚焦在载有样品的透明基底上；从样品表面反射后的激光和白光经过第二分光镜17透射到成像系统18上。
本实施方式中控制系统5能够控制导电纳米探针2、微悬臂梁1和样品台6的位移，控制系统5作为传输通道将反馈信号传输至信号处理系统7；
本实施方式中引入激光(第二激光器9产生的)和白光(卤素灯10产生的)，激光可以通过衰减片11实现激光功率可调，然后依次通过反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14和第二分光镜17后聚焦在样品表面；
通过控制器16能够精准地控制固定在位移台15上的聚焦光路在X、Y、Z三个方向的移动，从而实现激光聚焦在样品表面不同的位置；
第一激光器3发出的光束打在微悬臂梁1的背面，反射后的光束通过光探测器4收集，然后控制系统5将光探测器4收集到的信号传输至信号处理系统7，处理后得到样品的微区形貌信息及光电特性信息，并在显示器8上实时显示；
需要说明的是位移台15作为一个三维精密调整装置可实现在X、Y、Z三个方向的位移，因本申请的创新性并不在于该三维精密调整装置，故对三维精密调整装置的具体结构不作详述，只要精密调整装置可以实现长焦物镜14在X、Y、Z三个方向的精密调节即可。
该系统利用多种不同的光学元器件(衰减片11、反射镜12、第一分光镜13、长焦物镜14、第二分光镜17)将激光和白光聚焦在载有样品的透明基底上，通过成像系统18能够实现激光斑点的成像，准确地定位激光在样品表面的位置。通过扫描探针显微镜的控制系统5收集样品的形貌信息及光电性能进行成像。
光斑位置收集系统(9-18)和样品形貌收集系统(1-8)两部分独立，可以更好地调整光斑在样品表面的位置，从而精准地控制激光对样品的激发，实现激光在样品上的局部扫描成像。
控制系统5收集导电纳米探针2反馈的信号，获得样品局部表面的光电信息，通过聚焦光束的移动使得光斑聚焦在样品表面不同位置，能够原位实时地测量光激发下材料/器件样品平面内的光电性能。
可以根据材料/器件的不同可以改变激光(第二激光器9产生的)的波长，选择特定的波长用于激发样品。
本系统由两个子系统组成，即扫描探针显微镜系统和引光系统；其中扫描探针显微镜系统包含元件1-8，能够用于表面形貌成像，表面电势分布成像，表面导电率成像；引光系统包含元件9-18，能够引入激光聚焦在样品表面激发，收集激光光斑的位置信息，激光聚焦位置可以精准地调节，激光可选，激光功率可调。
该系统引入激光(第二激光器9产生的)在样品表面激发，此外还能结合导电纳米探针2在样品表面施加垂直方向的电场，实现激光和电场对样品/器件的耦合作用，考虑到外部激光激发和电场作用下测量对象(如半导体纳米材料、薄膜、及其功能器件等)的物性及器件性能会发生变化，利用开尔文探针显微镜、导电原子力显微镜、压电力显微镜、静电力显微镜等实时原位测量材料的物性，如光激发下光生电荷分布、光电流分布、铁电畴及畴壁演变等。
本实施方式搭建了一个基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统。能实现纳米尺度分辨下材料及器件光电性质的测量。
本实施方式通过结合现有的扫描探针显微镜功能(如导电原子力显微镜、开尔文探针显微镜、压电力显微镜等)，该系统能实现纳米尺度分辨下材料及器件光电性质的测量，如光激发下材料/器件在外场作用下光生电荷的分布-迁移-扩散、光电流分布、铁电极化电荷-光生电荷相互作用等。
本实施方式具有如下优点：
1)可以精准地控制激光光斑在样品表面的位置，实现激光在样品的局部扫描，原位实时地测量光激发下材料/器件平面内的光电性能；
2)能够在样品表面同时施加激光和电场，实现激光和电场耦合作用下高分辨率材料/器件光电性质的测量；
3)激光波长及功率可调，根据材料/器件可选择适当波长和功率的激光激发样品/器件，更好地获得材料/器件的光电特性；
4)系统各部分独立，改装性较强，额外的成像系统用于收集材料/器件的激发信号，激光斑点位置和样品光电信息独立收集。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的扫描探针显微镜系统为导电原子力显微镜。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的扫描探针显微镜系统为开尔文探针显微镜。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的扫描探针显微镜系统为压电力显微镜。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：控制器16控制位移台15在X、Y、Z三个方向移动，使得经长焦物镜14聚焦后的光斑能够在样品表面不同位置激发产生信号，从而实现原位光电测试。其他与具体实施方式四相同。
Claims (5)
1.一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，其特征在于基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统是由扫描探针显微镜系统和引光系统组成；
所述的扫描探针显微镜系统是由微悬臂梁(1)及其前端的导电纳米探针(2)、第一激光器(3)、收集光束的光探测器(4)、控制系统(5)、样品台(6)、信号处理系统(7)和显示器(8)组成；
控制系统(5)的信号输出端分别与微悬臂梁(1)、导电纳米探针(2)、样品台(6)和信号处理系统(7)的信号输入端连接；信号处理系统(7)的信号输出端与显示器(8)的信号输入端连接；光探测器(4)的信号输出端与控制系统(5)的信号输入端连接；导电纳米探针(2)位于样品台(6)的上方；
所述的引光系统是由第二激光器(9)、卤素灯(10)、衰减片(11)、反射镜(12)、第一分光镜(13)、长焦物镜(14)、位移台(15)、控制器(16)、第二分光镜(17)和成像系统(18)组成；第二激光器(9)、卤素灯(10)、衰减片(11)、反射镜(12)、第一分光镜(13)和长焦物镜(14)均设置在位移台(15)上；
控制器(16)的信号输出端与位移台(15)的信号输入端连接；第二激光器(9)发射的激光依次通过衰减片(11)、第一分光镜(13)透射、长焦物镜(14)、第二分光镜(17)的反射从样品台(6)的下方聚焦在载有样品的透明基底上；卤素灯(10)发射的白光依次通过反射镜(12)、第一分光镜(13)的反射、长焦物镜(14)、第二分光镜(17)的反射从样品台(6)的下方聚焦在载有样品的透明基底上；从样品表面反射后的激光和白光经过第二分光镜(17)透射到成像系统(18)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，其特征在于所述的扫描探针显微镜系统为导电原子力显微镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，其特征在于所述的扫描探针显微镜系统为开尔文探针显微镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，其特征在于所述的扫描探针显微镜系统为压电力显微镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统，其特征在于控制器(16)控制位移台(15)在X、Y、Z三个方向移动，使得经长焦物镜(14)聚焦后的光斑能够在样品表面不同位置激发产生信号，从而实现原位光电测试。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202222501104.3U CN218122019U (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202222501104.3U CN218122019U (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN218122019U true CN218122019U (zh) | 2022-12-23 |
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ID=84531705
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202222501104.3U Active CN218122019U (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 一种基于扫描探针显微镜的原位光电测试系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN218122019U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116593738A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-08-15 | 清华大学 | 光致力探测显微镜及其应用 |
-
2022
- 2022-09-21 CN CN202222501104.3U patent/CN218122019U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116593738A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-08-15 | 清华大学 | 光致力探测显微镜及其应用 |
| CN116593738B (zh) * | 2023-05-12 | 2024-01-23 | 清华大学 | 光致力探测显微镜及其应用 |
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