[發明專利]載流子濃度的測量方法及系統

有效

• 申請號: 201811421203.2
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109342548B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 李登峰;孫方穩;陳向東;李燊
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N27/72
• 分類號: G01N27/72;G01N27/04
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

1.一種載流子濃度的測量方法，其特征在于，包括：

放置含有NV色心的金剛石與待測樣品，使得金剛石中NV色心與待測樣品的距離滿足準靜態近似的條件；

測量金剛石中NV色心的自旋弛豫速率；以及

基于金剛石中NV色心的自旋弛豫速率，并根據金剛石中NV色心自旋弛豫速率與載流子濃度的標定關系曲線得到待測樣品的載流子濃度；

所述測量金剛石中NV色心的自旋弛豫速率的方法，包括：

一基本探測過程：控制聲光調制器使激光打開并聚焦后照射至NV色心且保持一第一預設時間，使得NV色心的自旋態被初始化/極化到m_s＝0態；控制聲光調制器使激光關閉，使NV色心的自旋態在聲子和磁場的作用下弛豫到m_s＝0和m_s＝±1的混態上，該弛豫過程對應的時間為弛豫時間τ；之后繼續打開激光一段時間，在該段時間內單光子計數模塊打開且保持一第二預設時間探測NV色心的熒光強度；

循環上述基本探測過程；

在探測過程中掃描從NV色心極化到m_s＝0態和單光子計數模塊打開之間的時間間隔τ，可得到NV色心的熒光強度隨時間間隔τ的e指數衰減曲線，擬合之后就可得到NV色心的自旋弛豫速率。

2.根據權利要求1所述的測量方法，其中，所述金剛石中NV色心自旋弛豫速率與載流子濃度的標定關系曲線的獲得方法如下：

利用標定樣品和金剛石中NV色心進行多次測量，得到金剛石NV色心自旋弛豫速率與載流子濃度的關系曲線，并進行曲線擬合，從而得到金剛石中NV色心自旋弛豫速率與載流子濃度的標定關系曲線。

3.根據權利要求2所述的測量方法，其中，所述曲線擬合為線性擬合或者最小二乘擬合。

4.根據權利要求1所述的測量方法，其中，所述測量金剛石中NV色心的自旋弛豫速率利用NV色心自旋弛豫速率測量系統進行測量，該NV色心自旋弛豫速率測量系統，包括：

共聚焦熒光顯微系統，包含：激光器、聲光調制器、雙色鏡、顯微鏡物鏡、長通濾光片和單光子計數模塊；激光器、聲光調制器和雙色鏡處于第一軸向，顯微鏡物鏡、雙色鏡、長通濾光片和單光子計數模塊處于第二軸向，第一軸向與第二軸向垂直；

調制信號產生器，與聲光調制器相連，用于產生調制電信號，該調制電信號加載于聲光調制器，實現聲光調制器控制激光的打開與關斷；

數據采集卡，統計單光子計數模塊記錄下的NV色心的熒光光子數；以及

計算機，與調制信號產生器、數據采集卡均相連，實現數據處理和存儲。

5.根據權利要求4所述的測量方法，其中，所述NV色心自旋弛豫速率測量系統的光路如下：

激光器發出的激光經過聲光調制器調制后由雙色鏡實現反射后進入顯微鏡物鏡中，而后聚焦照射到待測的NV色心上，由待測的NV色心輻射出的熒光再經由顯微鏡物鏡收集后依次透過雙色鏡、長通濾光片，進入單光子計數模塊中。

6.根據權利要求1所述的測量方法，其中，在所述繼續打開激光一段時間內，單光子計數模塊打開且保持一第二預設時間探測得到NV色心的熒光強度為測量信號，在激光還處于打開狀態內，關閉單光子計數模塊且保持一第三時間后再次打開單光子計數模塊且保持一第二預設時間進行探測得到NV色心的熒光強度為參考信號，利用測量信號處于參考信號得到歸一化信號。

7.根據權利要求1或6所述的測量方法，其中，

所述第一預設時間為3μs～5μs；和/或，

所述第二預設時間為300ns；和/或，

所述基本探測過程循環10⁶次以上。

8.根據權利要求1所述的測量方法，其中，

當含有NV色心的金剛石為粉末金剛石時，將該粉末金剛石置于待測樣品上或由原子力顯微鏡尖段附帶該粉末金剛石懸于待測樣品附近；和/或，

當金剛石為塊狀金剛石時，將待測樣品置于該塊狀金剛石表面上；和/或，

待測樣品為金屬、半導體、或拓撲絕緣體材料。