[发明专利]载流子浓度的测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种载流子浓度的测量方法及系统，其中，该测量方法包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。该测量方法在测量的过程中可以实现非侵入性实时测量，不破坏待测样品的电学性能，不影响载流子的浓度和空间分布。

技术领域

本公开属于材料测试技术领域，涉及一种载流子浓度的测量方法及系统，特别涉及一种基于金刚石NV色心自旋弛豫速率实现载流子浓度测量的方法和系统。

背景技术

载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位(或空穴)被视为一种载流子，电子也是一种载流子；在金属中，自由电子作为载流子；在电解液中，正、负离子作为载流子。

载流子对材料的性质有重要的影响，其中，载流子浓度的变化会导致材料电导率的变化，影响材料的电学性质。在材料物理中，载流子随空间的分布可以使材料展现出拓扑特性。对二维材料载流子浓度的控制可改变其势垒，用于开发新一代光电器件。在半导体器件中，载流子浓度的高低决定元件的调制速度，并且影响其击穿特性，影响其稳定性和安全性。因此对载流子浓度的测量是一个很重要的方向。

目前已有一些测量载流子浓度的方法，比如利用肖特基二极管测量流过的电流强度得到载流子的浓度，或者利用原子力显微镜(AFM)的多重电子模式测量局域的载流子分布，或者利用普通霍尔效应或者反常霍尔效应测量载流子的浓度，以及利用光霍尔效应测量光致载流子浓度变化。然而，这些方法都需要测量元件与被测样品欧姆接触，会对载流子的浓度和空间分布有所改变。

因此，有必要提出一种无损的载流子浓度的测量方法，在测量过程中不影响载流子的浓度和空间分布。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种载流子浓度的测量方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种载流子浓度的测量方法，包括：放置含有NV色心的金刚石与待测样品，使得金刚石中NV色心与待测样品的距离满足准静态近似的条件；测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率；以及基于金刚石中NV色心的自旋弛豫速率，并根据金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线得到待测样品的载流子浓度。

在本公开的一些实施例中，金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线的获得方法如下：利用标定样品和金刚石中NV色心进行多次测量，得到金刚石NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的关系曲线，并进行曲线拟合，从而得到金刚石中NV色心自旋弛豫速率与载流子浓度的标定关系曲线。

在本公开的一些实施例中，曲线拟合为线性拟合或者最小二乘拟合。

在本公开的一些实施例中，测量金刚石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率测量系统进行测量，该NV色心自旋弛豫速率测量系统，包括：共聚焦荧光显微系统，包含：激光器、声光调制器、双色镜、显微镜物镜、长通滤光片和单光子计数模块；激光器、声光调制器和双色镜处于第一轴向，显微镜物镜、双色镜、长通滤光片和单光子计数模块处于第二轴向，第一轴向与第二轴向垂直；调制信号产生器，与声光调制器相连，用于产生调制电信号，该调制电信号加载于声光调制器，实现声光调制器控制激光的打开与关断；数据采集卡，统计单光子计数模块记录下的NV色心的荧光光子数；以及计算机，与调制信号产生器、数据采集卡均相连，实现数据处理和存储。