[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

说明书

本发明公开了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，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，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；激光聚焦镜头设置于扫描电镜的样品腔室内并通过光纤与激光器连接，用于将光信号引入到力电双功能原位样品杆上。本发明基于压电光电子学理论，建立微纳米半导体材料光生载流子浓度与力电性能的关联，从而实现扫描电镜原位样品杆功能的扩展，真实反映微纳米半导体材料的光/力/电耦合性能。

技术领域

本发明涉及微纳米功能材料性能原位测试技术领域，尤其涉及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。

背景技术

近年来，纳米材料因其特殊的压电、光电和半导体等特性在科学领域引起了广泛关注。研究人员发现可以基于纳米材料的特殊性质引入应力进一步提高器件的性能。(ACSNano.2010,4(7):4220-4224.)王中林小组在p型GaN基底上生长n型ZnO纳米线构建发光二极管，通过对ZnO纳米线引入应变来调控二极管的发光性能。(Nano Letters.2011,11(9):4012-4017.)张跃小组基于一维纳米材料的压电效应，通过引入应变来调控紫外探测器的性能。(ACS Applied Materials&Interfaces.2014,6(16):14116-14122.)

基于光激发、压电、半导体性质之间耦合关系的压电电子学学科于2010年被首次提出。(ACS Nano.2010.4(2):1234-1240.)对压电电子学的研究可以实现高性能的新型光电子器件，在发光二极管、太阳能电池、纳米机器人、微纳机电系统等领域得到广泛应用。(ACS Nano,2015,10(1):1572-1579.)

实现对单体纳米结构的操纵和原位性能测量，是当今纳米新结构、新性质以及新器件研究的瓶颈性科学技术问题。由于透射电子显微镜狭小的样品测试空间以及不能测得材料的表面信息，使得人们很难实现单体纳米结构的耦合测试。扫描电子显微镜是直接揭示材料微观结构的重要工具之一，其具有较大的样品观察室为实施光/力/电耦合测试提供了方便的条件。原位测试系统包括力电双功能原位样品杆、系统控制器，可以对微纳米半导体材料力电性能进行原位、直接而准确测量。

针对目前没有定量的研究微纳米半导体材料光/力/电之间的耦合关系和商用原位样品杆只能力电测试的问题，构建一种基于扫描电镜原位力学测试系统的光/力/电耦合测试装置是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现在技术的不足，提供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，从而实现扫描电镜原位样品杆功能的扩展，真实反映微纳米半导体材料的光/力/电耦合性能。

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的理论模型：

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。

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。

将(2)、(3)带入压电本构方程得：