基于新型太赫茲器件的高分辨率界面空間電荷測(cè)試系統(tǒng)

1、基于新型太赫茲器件的高分辨率界面空間電荷測(cè)試系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)中空間電荷的特性是材料應(yīng)用和器件構(gòu)成的基礎(chǔ),對(duì)空間電荷分布及狀態(tài)的測(cè)量一直是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)重要而活躍的內(nèi)容。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的探索與研究,很多測(cè)量方法已經(jīng)發(fā)展成熟,測(cè)量的空間分辨率也逐漸提高。然而,隨著有機(jī)電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)以及納米材料研究的興起和深入,人們逐漸發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的測(cè)量方法無法實(shí)現(xiàn)在更小尺度上對(duì)空間電荷相關(guān)信息的獲取,這些信息的缺失使得對(duì)復(fù)雜界面的理論和實(shí)驗(yàn)研究都難以取得突破性的進(jìn)展,將空間電荷測(cè)量分辨率提高到納米級(jí)成為亟待解決的問題。太赫茲波的出現(xiàn)使得解決這一問題成為可能,然而傳統(tǒng)太赫茲器件的電光性能和穩(wěn)定性較差又在很大程度上制約了

2、該技術(shù)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)制作了基于電光聚合物的新型太赫茲器件,實(shí)現(xiàn)了太赫茲波的激發(fā)和探測(cè),并結(jié)合彈光取樣技術(shù),搭建了具有納米級(jí)分辨率測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間電荷的高分辨率測(cè)量,具體工作如下:提出了新型雙電光分子聚合物的概念及合成方案,以聚合物為主體,一種電光分子以化學(xué)方法接枝到聚合物主鏈上,提高聚合物的極性,改善其與極性電光分子的相容性。同時(shí)物理混合另一種小電光分子,使得材料既性能穩(wěn)定又具有較大的電光系數(shù)。制備了一系列側(cè)基聚合物作為備選材料,表征了樣品結(jié)構(gòu),測(cè)試了樣品的電光性能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,擇優(yōu)選取兩種材料作為主體進(jìn)行優(yōu)化,詳細(xì)研究了電光系數(shù)隨不同小電光分子摻入比的變化規(guī)律,以及電光系數(shù)隨不同極

3、化溫度條件的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在合適的摻入比及極化溫度條件下,兩種材料的電光系數(shù)分別可達(dá)46.7pm/V和69.1pm/V樣品具備較女?取向穩(wěn)定性，室溫條件下放置600小時(shí)后,電光系數(shù)分別降至初始值的61%和69%。設(shè)計(jì)制作了具有共面插指電極結(jié)構(gòu)的新型雙電光分子太赫茲波探測(cè)器件。器件的極化電場(chǎng)方向與其表面平行,太赫茲波可以垂直入射,徹底消除了入射角度對(duì)器件探測(cè)靈敏度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,器件結(jié)構(gòu)的改變,對(duì)探測(cè)材料固有的電光性能無任何影響。當(dāng)探測(cè)相同的太赫茲信號(hào)時(shí),共面插電極結(jié)構(gòu)探測(cè)器件的探測(cè)幅度更高,與傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu)探測(cè)器件相比,探測(cè)幅度比為1.15:1。新型器件的開發(fā)不僅提升了探測(cè)的

4、靈敏度,而且使器件的應(yīng)用更加簡(jiǎn)單、方便。搭建了太赫茲波激發(fā)與探測(cè)系統(tǒng)。激發(fā)源為雙電光分子聚合物,探測(cè)器件為分別基于雙電光分子聚合物和無機(jī)晶體制作的具有共面電極結(jié)構(gòu)的太赫茲波探測(cè)器件,探測(cè)到了太赫茲時(shí)域波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與無機(jī)晶體ZnTe相比,對(duì)于探測(cè)相同的太赫茲波信號(hào),雙電光分子聚合物探測(cè)器件可以將探測(cè)幅度提升28.9%,將頻譜中心頻率幅度提升67.3%。如果將時(shí)域波形的幅度定義為探測(cè)效率,將頻譜中心頻率定義為光譜靈敏度則雙電光分子聚合物探測(cè)器件在無論在探測(cè)效率還是光譜靈敏度上都具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)明顯。設(shè)計(jì)并制作了彈光取樣傳感器,實(shí)現(xiàn)了用光學(xué)方法對(duì)彈性波信號(hào)的提取和測(cè)量。彈光取樣傳感器是基于

5、雙電光分子聚合物的應(yīng)力雙折射效應(yīng),在外加應(yīng)力作用下,通過檢測(cè)探測(cè)光偏振態(tài)的變化,并結(jié)合光學(xué)延遲線進(jìn)行時(shí)分辨取樣,來獲得彈性波的完整的時(shí)域信息。傳感器結(jié)構(gòu)合理,應(yīng)用方便,可以在不改變器件結(jié)構(gòu)的前提下,完成對(duì)聚合物薄膜的加壓極化。傳感器具有較高的反應(yīng)靈敏度及良好的穩(wěn)定性,在連續(xù)工作1年之后,各項(xiàng)性能仍然穩(wěn)定,無明顯變化。詳細(xì)闡明了如何使空間電荷的測(cè)量達(dá)到納米數(shù)量級(jí)的空間分辨率,并搭建了測(cè)試系統(tǒng)?；诿}沖電聲法的基本思想,用太赫茲波作為激勵(lì),而用彈光取樣傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提取和測(cè)量。系統(tǒng)性能良好,可操作性強(qiáng),對(duì)待測(cè)樣品和測(cè)試環(huán)境沒有任何特殊的限制和要求。利用搭建的系統(tǒng)對(duì)硅PN在平衡狀態(tài)、正偏及反偏狀態(tài)下的空間電荷區(qū)進(jìn)行了測(cè)試,獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并得出空間電荷區(qū)寬度隨偏置電壓的變化關(guān)