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).pdf

1、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(guò)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(wú)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

2、解決的問(wèn)題。太赫茲波的出現(xiàn)使得解決這一問(wèn)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

3、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)46.7 pm/V和69.1 pm/V。樣品具備較好取向穩(wěn)定性

4、，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(wú)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

5、開(kāi)發(fā)不僅提升了探測(cè)的靈敏度，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(wú)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(wú)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

6、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(wú)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(guò)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(lái)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

7、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(wú)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(méi)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)