[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

说明书

本发明涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，属于超快激光泵浦探测领域。本发明利用二维半导体材料价带电子吸收光子并发生跃迁至导带的原理，在超快激光的激发下，通过测量二维半导体材料的反射光的方式，得到了微观电子的动力学过程。所述超快激光为脉冲持续时间在100飞秒左右、重复频率为80MHz、带宽为10纳米左右的相干光源，保证了光学测量的时间分辨率。本发明具有瞬时响应和飞秒—皮秒级别的时间分辨率。和宏观电学的电流探测手段相比，灵敏度更高，适用于微观探测领域，同时避免了电极材料对测量结果的影响。

技术领域

本发明属于超快激光泵浦探测领域，具体涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸达到纳米量级，摩尔定律的失效使得以晶圆代工为代表的半导体技术发展遇到了瓶颈。对二维半导体材料及其异质结中的电荷转移的微观研究将会对未来半导体技术的突破产生重要影响。但是，受制于电学电荷探测技术，人们往往无法及时捕捉到微观粒子运动的信息。

在半导体当中，位于导带的电子和位于价带的空穴被称之为载流子，因为载流子是可以移动的，所以被认为是电荷输运的基础。载流子可以被不同的物理机制去激发，比如，在掺杂的半导体材料当中，载流子是由掺杂原子所提供。单质或者纯净的半导体材料在非绝对零度的条件下，因为热激发同样具有载流子。而对于单质和掺杂的半导体材料而言，光激发的方式也可以被用来使其产生载流子(也就是所谓的光生载流子)，这主要是因为，位于价带的电子可以吸收一个具有足够能量的光子，从而到达导带。

因为光生载流子的复合过程非常迅速，常常发生在几个皮秒内，所以，在光激发的条件下载流子的动力学过程的研究就要求实验方法具有非常高的时间分辨能力。一般被应用在基础物理研究中的电子探测技术(也就是通过测量电极之间的I-V特性曲线)具有有限的时间分辨率。相比之下，基于超快激光的光学技术，因为其具有很高的时间分辨率，所以被当作是光激发的条件下研究载流子动力学的标准工具。

本专利意在设计一种基于光反射的具有飞秒-纳秒时间分辨率的、瞬时响应的二维半导体材料中的光生载流子的全光学探测方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，具有飞秒-纳秒时间分辨率的、瞬时响应的特点。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测方法，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。