[发明专利]一种基于扫描电镜原位力学测试系统的光/力/电耦合测试装置及其测试方法

权利要求书

1.一种基于扫描电镜原位力学测试系统的光/力/电耦合测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将待测样品置于力电双功能原位样品杆中，其中一端与探针相连，另一端与导电样品台相连；

2)利用原位力学测试系统的系统控制器对待测样品施加力和电压，并打开激光器，给待测样品施加光；

3)通过连接原位测试系统的计算机读取应变s₃₃，外加电压U，并代入公式(1)中，得到待测样品在力和光的条件下电流密度，进而定量的研究微纳米半导体材料光/力/电之间的耦合关系：

上述公式中：k、h和q为波尔兹曼常数、普朗克常数和电子电荷；材料参数有介电常数ε、压电常数e₃₃、材料体积V、量子效率η和载流子寿命τ_n；激光参数有输出功率P和光子频率ν；J₀为无外载条件下电流密度，s₃₃为力电双功能原位样品杆测量的应变，w_p为由原子力显微镜测得压电电荷分布区宽度；T为温度。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤3)中公式的推导过程如下：

步骤1、光照条件下非平衡载流子浓度Δn由连续性方程得：

其中，τ_n为载流子寿命，G_n为电子产生率，η为量子效率，h为普朗克常数，ν为光子频率，V为材料体积，P为激光输出功率；

步骤2、由经典电动力学方程得：

εE＝qw_pΔn........................................(3)

其中，ε为材料介电常数，E为光致电场强度，q为电子电荷，w_p为压电电荷分布区宽度；

步骤3、将方程(2)、(3)带入压电本构方程得：

其中，D为电位移，e₃₃为压电常数，s₃₃为应变；

步骤4、由电动力学方程得：

其中，ρ为压电电荷密度；

步骤5、根据压电光电子学理论得到电子电流密度J：

其中，J₀为无外载条件下的电流密度，U为外加电压，k为波尔兹曼常数，T为温度；

步骤6、联立方程(4)、(5)、(6)得到基于扫描电镜原位力学测试系统的光/力/电耦合测试装置的理论模型：

3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于：测试过程中使用到的光/力/电耦合测试装置的具体结构包括扫描电镜、原位力学测试系统、光纤过真空装置、激光器及激光聚焦镜头，其中；

原位力学测试系统包括力电双功能原位样品杆和系统控制器，所述力电双功能原位样品杆设置于扫描电镜的样品腔室内并与所述系统控制器电性连接；

系统控制器，与计算机电性连接；

激光器，设置于扫描电镜的外部；

光纤过真空装置，密封设置于扫描电镜的法兰上，内部密封穿装有光纤；

激光聚焦镜头，设置于扫描电镜的样品腔室内，并通过所述光纤与激光器连接，用于将光信号引入到力电双功能原位样品杆上。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：力电双功能原位样品杆探针的尖端位于所述扫描电镜的电镜极靴的正下方，所述极靴发射的电子束照射到探针的尖端，所述激光聚焦镜头聚焦于探针的尖端。

5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述光纤过真空装置包括连接螺栓、螺母和密封圈，所述光纤过真空装置通过螺栓和螺母安装在法兰上，所述连接螺栓与法兰内壁接触处设有密封圈，封装光纤的连接螺栓两端通过光纤分别与激光器和激光聚焦镜头连接。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述密封圈处涂覆环氧树脂固化剂。

7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述法兰上设有电源接口，所述力电双功能原位样品杆和样品台通过所述电源接口与外部电源连接。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述力电双功能原位样品杆水平设置在样品腔室内，在力电双功能原位样品杆的传感器上安装有安装架，所述安装架可沿传感器轴线方向移动，所述激光聚焦镜头倾斜向下安装在所述安装架上。