[发明专利]微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统

说明书

技术领域

本发明涉及扫描近场光学显微镜以及光电器件的微区光电特性的表征与研究领域，特别涉及微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，适用于光伏电池、光电器件、电致发光材料器件的性能检测、分子生物学的光电性质研究以及研究电场调制对近场成像的作用等方面。

背景技术

近场光学显微镜的技术的出现使得光学显微镜的分辨率突破光学衍射的限制，可以在纳米尺度观测光和物质的相互作用；采用原子力探针的近场光学显微镜则具有同时进行样品表面的形貌和近场光学成像。半导体材料的光电特性是光作用下材料内发生电荷转移的能力，此种特性可以应用于太阳能电池、印刷技术、光探测等领域，材料的光电特性不仅仅和材料的固有性质相关，也和其形态以及表面结构有关，尤其对于薄膜结构的半导体光电材料，其纳米尺度的结构特征有时对其光电特性起主要作用。为了提高对材料测量的空间分辨率以及表面光电响应成像，通常的光电测量采用扫描Kelvin探针或者扫描隧道显微镜模式(Surface photovoltage phenomena：theory，experiment，and applications，L.Kronik，Y.Shapira，Surface Science Reports，1999，37，1～206)，照射光采用远场照射模式，由于远场光能够深入样品内部一定的深度，此时的光电测量容易受到样品表面层以下的性质的影响(Near-field surfacephotovoltage，R.Shikler and Y.Rosenwaks，APPLIED PHYSICS LETTERS，2000，77，836)，所以我们采用近场照射模式可以得到更多表面与接近表面区域的光电信息。R.Shikler与Y.Rosenwak也作了近场表面光电压测量的工作(Near-field surface photovoltage，R.Shikler and Y.Rosenwaks，APPLIEDPHYSICS LETTERS，2000，77，836)，所采用的探针为光纤探针，工作模式为扫描Kelvin探针模式。而我们采用完全接触的原子力扫描模式与原子力探针，通过对探针的特殊处理，可以进行表面光电流与表面光电压的测量，具有高的空间分辨能力与灵敏度；同时结合时间分辨的测量，能够得到表面光电响应的寿命信息与成像功能。在我们的发明仪器上，还可以进行电致发光材料以及电场调制对近场成像的作用等方面的研究。

发明内容

本发明的目的是将近场光学显微镜与光电检测有机的结合在一起，提供一种微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，从而实现近场光照射下微区的光电检测，提高光电检测的分辨率与应用范围，可以应用于半导体、生物等领域；具有形貌成像、光电成像以及微区光电时间分辨测量功能。

本发明的基本构思：

采用的扫描近场光学显微镜(SNOM)可以实现近场光学与原子力形貌同时成像。通过表面金蒸镀得到导电性的SNOM探针，在此导电探针、样品间构建检测电路，用于采集针尖与样品界面处产生的电流信号；在导电的SNOM探针上再镀上一层绝缘层，用于采集针尖与样品界面处产生的电压信号。以连续激光作为器，以斩波器调制此连续激光，采用锁相放大器检测此时产生的光电响应，此种工作模式即为稳态近场光电检测模式；以纳秒脉冲激光器作为SNOM器，采用快速门积分与矩形波串平均器(快速门积分与Boxcar平均器)检测产生的光电信号随时间的变化特性，此种工作模式即为瞬态近场光电检测模式。SNOM的扫描成像功能兼有在每一个位置点输出一个TTL信号。在SNOM的控制程序之外编制控制快速门积分与Boxcar平均器与数据采集的程序，此程序与SNOM输出的TTL电平脉冲信号同步就可以实现SNOM扫描成像的同时采集每一点处的光电响应，即实现了近场下的稳态/瞬态光电响应扫描成像。

本发明的微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统的组成部分包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的SNOM、光电信号检测电路、SNOM控制机箱以及计算机控制与数据采集系统。

本发明的微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统的结构关系：

一连续激光器或纳秒脉冲激光器的激光出口前方安装有斩波器以及在斩波器后面安装有激光耦合与光纤系统，或单独安装激光耦合与光纤系统；在激光耦合与光纤系统的后面安装带有CCD图像采集器、白光光源、Z向步进电机、探针位置传感器、显微物镜和与悬臂位置监测用红外激光器相连接的激光耦合与光纤系统的共聚焦光学显微镜；