本發(fā)明涉及材料電學(xué)信號檢測，特別是一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、在材料電學(xué)特性研究領(lǐng)域，光電流提取技術(shù)一直是深入探究材料內(nèi)部載流子行為與光電轉(zhuǎn)換機(jī)制的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)的光電流提取方法主要有利用傅里葉光譜儀結(jié)合器件電學(xué)信號提取以及利用單色儀分光結(jié)合器件電學(xué)信號提取這兩種方式。

2、傅里葉光譜儀在光電流提取過程中，通過其獨(dú)特的干涉原理對光進(jìn)行光譜分析。它能夠覆蓋較寬的光譜范圍，對光信號進(jìn)行精確的光譜分辨。然而，傅里葉光譜儀在與器件電學(xué)信號提取結(jié)合時，由于其光路設(shè)計和測量原理的限制，在空間分辨率方面只能達(dá)到微米級。在這種微米級的空間分辨率下，對于材料內(nèi)部微觀尺度的載流子輸運(yùn)過程難以進(jìn)行細(xì)致的表征。載流子在納米尺度的材料結(jié)構(gòu)中，其輸運(yùn)行為往往受到量子尺寸效應(yīng)、界面態(tài)等多種因素的顯著影響，而微米級的分辨率無法精準(zhǔn)捕捉這些納米尺度下的細(xì)節(jié)變化，從而限制了對載流子輸運(yùn)機(jī)制的深入理解。

3、同樣，單色儀分光結(jié)合器件電學(xué)信號提取的方法也面臨類似困境。單色儀通過光柵等光學(xué)元件將復(fù)合光分解為不同波長的單色光，進(jìn)而研究不同波長光激發(fā)下的器件電學(xué)響應(yīng)。但在空間分辨率上，其也僅能達(dá)到微米級。在研究具有納米結(jié)構(gòu)的材料或器件時，無法滿足對納米尺度區(qū)域內(nèi)載流子行為精確探測的需求，難以獲取納米級局部區(qū)域的光電流譜信息，使得對材料微觀光電性能的研究存在較大局限性。

4、另一方面，目前商業(yè)化的掃描探針顯微鏡在材料電學(xué)信號提取方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，其能夠?qū)崿F(xiàn)納米級空間分辨的電流和電勢信號提取。這使得它在研究材料表面納米級別的電學(xué)特性不均勻性以及納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能方面發(fā)揮著重要作用。但是，其主要側(cè)重于材料本征的載流子信號提取，缺乏有效的光激發(fā)手段。并且，由于其設(shè)計初衷并非針對光譜分辨功能，所以在光譜分辨能力上存在明顯不足。這就導(dǎo)致在研究材料光電特性時，無法同時兼顧納米級空間分辨率和光譜分辨能力，難以全面深入地探究材料在不同波長光激發(fā)下納米尺度區(qū)域內(nèi)載流子的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及復(fù)合等動態(tài)過程，無法滿足現(xiàn)代材料科學(xué)與納米技術(shù)對于高精度、多功能電學(xué)信號檢測技術(shù)的需求。

5、綜上所述，現(xiàn)有光電流提取技術(shù)在空間分辨率與光譜分辨能力的整合上存在明顯缺陷，迫切需要一種能夠兼具納米級空間分辨和光譜分辨能力的光激發(fā)探針提取材料電學(xué)信號的新技術(shù)，以填補(bǔ)這一技術(shù)空白，推動材料電學(xué)性能研究向更微觀、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置和方法，主要解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，它能夠在納米級空間分辨下獲取材料的光電流譜，從而深入研究材料在不同波長光激發(fā)時的電學(xué)特性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，包含光源單元、光路單元、測量單元和管理控制單元；

3、所述光源單元和所述測量單元均電氣連接到所述管理控制單元；

4、所述管理控制單元配置所述光源單元的工作參數(shù)；在所述管理控制單元的控制下，所述光源單元發(fā)出的光束通過所述光路單元被引導(dǎo)照射在樣品的表面；所述控制管理單元還控制所述測量單元采集所述樣品被所述光束照射處的電氣信息，傳輸?shù)剿龉芾砜刂茊卧M(jìn)一步處理保存。

5、進(jìn)一步地，所述光源單元包含寬光譜光源和單色儀；

6、所述寬光譜光源輸出的光束進(jìn)入所述單色儀，由所述單色儀根據(jù)所述工作參數(shù)選擇其中一種單色的光束作為所述光照單元的輸出；所述單色儀電氣接到所述管理控制單元，由所述管理控制單元設(shè)置所述工作參數(shù)。

7、進(jìn)一步地，所述寬光譜光源是包含聚焦功能的白光光源。

8、進(jìn)一步地，所述光路單元包含擴(kuò)束光路模塊和聚焦光路模塊；所述擴(kuò)束光路模塊連接到所述光源單元，接收所述光束并擴(kuò)大所述光束的直徑；所述聚焦光路模塊安裝在所述擴(kuò)束光路模塊之后，用于將擴(kuò)大直徑后的所述光束聚焦到所述樣品的表面。

9、進(jìn)一步地，所述聚焦光路模塊包含反射鏡和凹面鏡；所述反射鏡將所述光束投射到所述樣品的上方，而所述凹面鏡將所述光束聚焦到所述樣品表面。

10、進(jìn)一步地，所述測量單元包含驅(qū)動模塊和探針；

11、所述探針連接到所述驅(qū)動模塊，在所述驅(qū)動模塊的作用下，貼近到所述樣品的表面；所述探針電氣連接到所述管理控制單元，負(fù)責(zé)采集與其接觸的所述樣品表面的所述電氣信息，并傳輸?shù)焦芾砜刂茊卧?/p>

12、進(jìn)一步地，所述電氣信息包含電流和電勢。

13、進(jìn)一步地，所述管理控制單元包含控制模塊和調(diào)制解調(diào)模塊；

14、所述控制模塊電氣連接到所述光源單元和所述測量單元，用于配置所述工作參數(shù)，以及同步所述光源單元和所述測量單元的動作；所述調(diào)制解調(diào)模塊接收來自所述測量單元的所述電氣信息，并進(jìn)一步處理后保存。

15、進(jìn)一步地，所述控制模塊包含鎖相放大器和控制器；

16、所述控制器通過所述鎖相放大器連接到所述光源單元和所述測量單元；所述控制器通過調(diào)節(jié)所述工作參數(shù)來調(diào)節(jié)所述光源單元輸出的所述光束，還利用經(jīng)所述鎖相放大器放大后的控制信號，同步所述測量單元與所述光源單元動作，確保光照時序和測量時序同步。

17、本發(fā)明還公開了一種使用上述具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置的信號提取方法，其特征在于，包含步驟：

18、步驟s1，安裝所述樣品；

19、步驟s2，打開所述光源單元；

20、步驟s3，通過所述管理控制單元，配置所述光源單元的所述工作參數(shù)；

21、步驟s4，調(diào)節(jié)所述光路單元，使得所述光束聚焦在所述測量單元下方的所述樣品的表面；

22、步驟s5，通過所述管理控制單元，控制所述測量單元讀取被測樣品的所述電氣信息；

23、步驟s6，所述管理控制單元記錄所述電氣信息；

24、步驟s7，如果數(shù)據(jù)采集完成，跳轉(zhuǎn)到步驟s9，否則進(jìn)入步驟s8；

25、步驟s8，通過所述管理控制單元，配置新的所述工作參數(shù)，變化所述光束的波長；跳轉(zhuǎn)到步驟s5；

26、步驟s9，利用在不同所述工作參數(shù)下記錄的所述電氣信息，生成光電流譜。

27、鑒于上述技術(shù)特征，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

28、1、本發(fā)明一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置和方法可以精確地獲取不同波長光激發(fā)下材料的電學(xué)響應(yīng)，有助于深入研究材料的光電特性和微觀物理機(jī)制。

29、2、本發(fā)明一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置和方法為新型材料的研發(fā)、半導(dǎo)體器件性能優(yōu)化等提供了更精準(zhǔn)有效的檢測手段，有利于推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。

技術(shù)特征：

1.一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，包含光源單元、光路單元、測量單元和管理控制單元；

2.如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述光源單元包含寬光譜光源和單色儀；

3.如權(quán)利要求2所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述寬光譜光源是包含聚焦功能的白光光源。

4.如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述光路單元包含擴(kuò)束光路模塊和聚焦光路模塊；所述擴(kuò)束光路模塊連接到所述光源單元，接收所述光束并擴(kuò)大所述光束的直徑；所述聚焦光路模塊安裝在所述擴(kuò)束光路模塊之后，用于將擴(kuò)大直徑后的所述光束匯聚到所述樣品的表面。

5.如權(quán)利要求4所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述聚焦光路模塊包含反射鏡和凹面鏡；所述反射鏡將所述光束投射到所述樣品的上方，而所述凹面鏡將所述光束聚焦到在所述樣品表面。

6.如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述測量單元包含驅(qū)動模塊和探針；

7.如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述電氣信息包含電流和電勢。

8.如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述管理控制單元包含控制模塊和調(diào)制解調(diào)模塊；

9.如權(quán)利要求8所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，其特征在于，所述控制模塊包含鎖相放大器和控制器；

10.一種使用如權(quán)利要求1所述的具有光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置的信號提取方法，其特征在于，包含步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及材料電學(xué)信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種光譜分辨的光激發(fā)掃描探針電信號提取裝置，包含光源單元、光路單元、測量單元和管理控制單元。光源單元和測量單元均電氣連接到管理控制單元。管理控制單元配置光源單元的工作參數(shù)。在管理控制單元的控制下，光源單元發(fā)出的光束通過光路單元被引導(dǎo)照射在樣品的表面。控制管理單元還控制測量單元采集樣品被光束照射處的電氣信息，傳輸?shù)焦芾砜刂茊卧M(jìn)一步處理保存。本發(fā)明還包含方法。本發(fā)明可以精確地獲取不同波長光激發(fā)下材料的電學(xué)響應(yīng)，有助于深入研究材料的光電特性和微觀物理機(jī)制。本發(fā)明為新型材料的研發(fā)、半導(dǎo)體器件性能優(yōu)化等提供了更精準(zhǔn)有效的檢測手段，有利于推動技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。

技術(shù)研發(fā)人員：李天信,孫聊新,夏輝,陸衛(wèi)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28