[发明专利]二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法

权利要求书

1.一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，引入泵浦光激发二维半导体材料：用一束具有合适波长λ₁的脉冲激光垂直入射至二维半导体材料表面，二维半导体材料被激发后，位于半导体价带的电子密度将会降低；该波长λ₁的脉冲激光的光子能量是能够将半导体价带的电子激发到导带的能量；

步骤二，引入斩波器将泵浦光以一定时间间隔切断：将机械斩波器加入到泵浦光的光路当中，斩波器的扇叶将不断的将泵浦光切断，形成固定时间间隔的非连续脉冲激光；

步骤三：引入探测光，产生差分反射信号：用一束具有合适波长λ₂的脉冲激光垂直入射至二维半导体材料表面，该波长λ₂的脉冲激光的光子能量等于或者接近半导体价带和导带之间的能量差，并满足λ₂-λ₁≥30nm；探测光的反射光在没有泵浦光激发二维半导体材料时的反射信号R₀，在有泵浦光激发二维半导体材料时的反射信号R，从而形成差分反射信号ΔR＝R-R₀；

步骤四：改变泵浦光和探测光之间的光程差，得到差分反射信号ΔR/R₀与泵浦光、探测光到达二维半导体材料表面时间差ΔT的关系。

2.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述泵浦光和所述探测光为脉宽为10nm左右、持续时间为100飞秒的脉冲激光。

3.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述脉冲激光的激发光源为重复频率80MHz的钛宝石激光器，激光脉冲的波长在室温下在690nm至1080nm的范围之内可调。

4.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤一中，所述泵浦光垂直在入射到二维半导体材料表面之前，需要经过显微物镜汇聚在二维半导体材料表面。

5.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述二维半导体材料是砷化镓、过渡金属硫族化合物、半导体单质或二硒化钼，半导体材料的厚度在纳米量级。

6.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤二中，所述机械斩波器前后放置两个光学透镜，确保：斩波器位于两个透镜的焦点处；两个透镜不改变激光的平行度。

7.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤二中，所述机械斩波器的转动频率被维持在2KHz。

8.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤三中，探测光和泵浦光均为垂直入射至二维半导体材料表面，且入射点重合；为了测量探测光的反射光，需要在光探测器前加入滤波片，过滤泵浦光。

9.如权利要求1-8任一项所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤三中，反射信号R₀和R均为对反射的探测光测量的信号，滤去了泵浦光的信号；通过先观察探测光的反射信号来间接地得到二维半导体材料对探测光的吸收变化，差分反射率ΔR/R₀和载流子密度N之间的关系：

其中，二维半导体厚度为L，α₀是指当材料未被激发时的吸收系数，N为载流子密度，N_sat为吸收系数降到50％时载流子的密度。

10.如权利要求9所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：当ΔT＝0的时候，泵浦光和探测光同时到达二维半导体材料表面；随着ΔT的增加，探测光比泵浦光“晚到”的时间逐渐增加；泵浦光和探测光到达二维半导体材料表面时间差ΔT通过连续改变泵浦光和探测光达到样品之前的光程差来实现；而差分反射信号ΔR/R₀与泵浦光、探测光到达二维半导体材料表面时间差ΔT的关系，反映了价带载流子受到泵浦光激发以后，载流子浓度随着时间的变化。