[发明专利]一种用于测量深低温强磁场下样品光致发光的系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光致发光的测量系统，创造性的通过光纤将光致发光测量 引入于极低温、强磁场下，为测量材料的结构、成分、环境原子排列的信息以 及半导体材料的少数载流子寿命等提供了新手段，具有简单、无破坏性、对样 品尺寸无要求、分辨率高等特点。

背景技术

在半导体材料与器件相关的测试手段中，磁输运是一种重要而基础的研究 手段，用以研究材料的载流子浓度，类型和迁移率等基本信息。而在深低温的 条件下，众多量子效应呈现出来，作为对经典电导的修正，电导的量子效应反 映出材料的自旋特性等物理信息，这些特性可能在新一代的物理器件——自旋 电子学器件中得到应用，因此具有重要的研究价值。对电导的量子效应进行研 究已经成为一门新的学科，研究的现象包括磁阻振荡、量子霍尔效应、弱局域 与反弱局域效应、量子隧穿等。

目前这些研究大部分采用传统的电学测试方法，因此受到诸如材料衬底电 导、三维方向上的载流子、样品腐蚀不易和可能破坏样品、以及样品电极制备 不易等制约。光致发光是指物质在光的激励下，电子从价带跃迁至导带并在价 带留下空穴；电子和空穴在各自在导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的 最低激发态(在本征半导体中即导带底和价带顶)，成为准平衡态；准平衡态 下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱 图。在激发光能量不是非常大的情况下，光致发光测试是一种无损的测试方法， 可以快速、便捷地表征半导体材料的缺陷、杂质以及材料的发光性能。光致发 光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、 灵敏度高的分析方法。激光的应用更使这类分析方法深入到微区、选择激发及 瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要的研究手段，应用到物理学、材料科 学、化学及分子生物学等领域。本发明充分利用目前光纤材料的发展优势，将 光致发光测量引入到深低温、高磁场的测量环境中，为研究材料在不同温度下 和磁场下的性能提供了一种新的研究方法和手段，是研究材料电学、光学性能 和构造相干器件的有力工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤的光致发光测量方法，并将其引入到了 深低温、强磁场的测量环境中，为测量材料的结构、成分、环境原子排列的信 息以及半导体材料的少数载流子寿命等提供了新手段，具有简单、无破坏性、 对样品尺寸无要求、分辨率高等特点。

本发明的技术方案如下：

测试系统包括光纤激光器101、光纤组件A102、光纤I103、真空密封接 头104、O型圈105、螺母106、待测样品107、光纤II108、磁输运样品室109、 光纤组件B110、光谱仪111和测试分析计算机112，基本结构见附图1。真空 密封接头104、O型圈105和螺母106具体结构及其与光纤I103、光纤II108 和磁输运样品室109的连接见附图2。

所述的光纤组件A102两端通过光纤接头分别与光纤激光器101和光纤 I103连接；所述的光纤I103左端通过光纤接头与光纤组件A102连接，右端穿 过真空密封接头104进入磁输运样品室109后对准待测样品107；所述的光纤 II108左端通过光纤接头与光纤组件B110连接，右端穿过真空密封接头104进 入磁输运样品室109后对准待测样品107；真空密封接头104为圆形，内有剥 去外皮仅留中心石英部分的光纤I103和光纤II108穿过，当中采用密封胶固定 和密封；真空密封接头104穿过磁输运样品室109，一部分位于磁输运样品室 109外并有沟槽，O型圈105套进真空密封接头104内并处于真空密封接头104 沟槽里，O型圈105露出沟槽的部分贴于磁输运样品室109外壁，真空密封 接头104处于磁输运样品室109之内的部分上有螺纹，螺丝106拧进螺纹并贴 紧磁输运样品室109外壁，起固定和真空密封作用；待测样品107平放于磁输 运样品室109底端超导线圈内；调整待测样品107位置以及光纤I103、光纤II108 下端对准待测样品107的角度，使得光纤I103发出的激光入射到待测样品107 上，所激发的光致发光被光纤II108所接收；光纤组件B110两端通过光纤接 头分别与光谱仪111和光纤II108连接；光谱仪111连接到测试分析计算机112， 从而记录、分析得到的光谱信息。

所述的光纤激光器101所激发的激光波长短于待测样品107的被激发光的 波长。