[发明专利]一种纳米结构量子态电注入发光测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料器件电光性能测试方法，尤其是涉及一种对纳米结构中某一量子态进行电注入发光的高分辨率测试方法。

背景技术

随着材料科学领域对量子结构、纳米结构认知的逐步完善，材料生长技术与器件工艺的日渐成熟，材料纳米结构(或量子结构)已在生产与科研中广泛应用，如半导体发光二极管(LED)中的多量子阱、量子点、超晶格等结构，材料中的这类纳米结构往往被认为是提升器件性能的关键。目前对于材料器件领域对电光转换性能的测试常采用电致发光(EL)测试技术，然而这种测试技术通常针对的是具有完整结构的发光器件，不但需要在芯片上进行刻蚀、蒸镀电极等一系列复杂工序，并且制作工艺的好坏往往还会对测试结果产生极大的影响。显然，这种仅仅反映器件整体电光性能的测试方法过于单一并缺乏灵活性，受影响因素较多，无法真实反映出发光材料电光转换效率的高低，更无法进一步的揭示材料微区内部纳米结构对芯片发光性能的贡献。

扫描隧道显微技术，是目前纳米科技与表面科学的重要表征技术之一，通过利用原子尺度的针尖接近样品，并在两者间施加一定的偏压，当两者的距离小到一定程度时，样品与针尖之间将产生遂穿电流，电流方向由所加偏压的正负决定。这种测试技术不但具有原子级的空间分辨率、超高的能量控制精度，还为我们提供了一种深入材料微区对纳米结构特定量子能级进行电注入的有效方法。目前，已有很多研究小组利用单探针扫描隧道显微镜在纳米尺度上对材料进行发光研究(STML)，对于不同体系的材料，发光机制不完全一样：对于金属材料的纳米结构，主要是通过非弹性遂穿电子激发金属等离激元发光；而对于半导体材料的纳米结构，则通常是少数载流子注入，引发半导体能带中导带电子与价带空穴的复合发光；而有机单分子材料的发光则比较复杂，大多认为可能是分子最低未占轨道到最高占据轨道(LUMO-HOMO)间的复合发光与表面等离激元激发发光共同作用的结果。

然而，目前所有扫描隧道显微镜诱导发光采用的都是单探针，需要同时在样品台上施加一定的偏压，即以探针和样品台作为正负电极，探针、样品、样品台三者构成电流通路。显然，这种方式虽然可以获得纳米结构的电注入发光信号，但是注入的隧道电流进入样品后的随机扩散，电流流经区域贯穿整个样品，所获得的光信号可能并非全部来自待测纳米结构，而是大范围内由电流流经区域产生的综合信息，因此并不是真正意义上仅仅针对待测纳米结构的局域电注入发光。

此外，若进一步将分析测试深入至纳米结构量子态的发光研究，单扫描隧道探针技术由于仅仅只能控制一种载流子，虽然可以选择其特定的注入能量，但进入纳米结构后，载流子在量子能级间的跃迁发光将不再受人为控制，而是由纳米结构自身跃迁选择定则决定，载流子可以同时对多个量子能级进行跃迁复合发光，即出现多个量子态的发光，不确定因素增多。显然这种单探针电注入手段并不具备量子能级的分辨率，无法真正意义上实现针对某一量子态的电注入发光。

若采用双扫描隧道探针进行电注入发光，可利用扫描隧道显微技术高能量控制精度的优势，同时对两种载流子的注入能量进行灵活精确的调控，可分别对某一空穴量子能级和某一电子量子能级进行选择性注入，其跃迁发光将不再完全依赖纳米结构的自身选择，而是由两种载流子注入能量共同决定，即控制某一电子量子能级下的注入电子与某一空穴量子能级下的注入空穴复合发光，使能级间的跃迁发光变得人为可控，实现真正意义上的单一量子态电注入发光。

此外，传统光信号收集方式通常采用的是椭球镜、抛物镜、光纤束、透镜组等收集装置，意在尽可能的增加信号收集空间角，提升信号收集效率；然而当光信号来源由微区缩小至单一纳米结构时，这些传统收集装置往往因为收集范围过大，容易引起光信号来源的误判，即非所测纳米结构产生的光信号同样被收集装置接收，以至于信号混杂、噪音较大，无法真实的反映所测纳米结构的发光性能。因此要实现高分辨率的测试，需采用具有高移动精度的光纤作为信号收集端，利用光纤物理体积小、信号收集范围小、便于灵活控制的优势，可将光纤深入所测微区，并精确控制在纳米结构附近(非近场模式)，将光信号的收集尽可能局限在电注入区域内，压制非所测区域产生的噪音，提升信噪比。

中国专利CN101281099公开一种多型号声学器件的测试方法，建立一个可变测试腔体；提供针对不同型号的待测样品设置的不同的盖子；将载有待测样品的盖子盖接至可变测试腔体上，使待测样品、盖子和可变测试腔体形成密闭空间；对待测样品进行测量。所述可变测试腔体设有一中空的腔体部、连接腔体部的若干腔体环和可插入于腔体部和腔体环内的活塞。