[发明专利]一种光诱导STM动态响应检测系统及方法

说明书

本申请公开了一种光诱导STM动态响应检测系统及方法，其中脉冲选择器触发分频器生成阶跃式信号；第一光束反射装置上设有在阶跃式信号驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台；光束汇聚装置将第一光束反射装置反射的探测光和第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于STM探针下的实验材料；第二光束反射装置上设有对探测光和泵浦光到达材料的时间差进行调整的长程直线位移台；锁相放大器将阶跃式信号作为参考信号对针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，以确定STM动态响应结果；微动压电直线位移台的调制频率为脉冲选择器的频率的二分之一，微动压电直线位移台与脉冲选择器之间的相位锁定并且可调。上述技术方案能够实现对STM动态响应的可靠检测。

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种光诱导STM动态响应检测系统及方法。

背景技术

从1981年出现扫描隧道显微镜(STM)以来，以原子量级的材料电子态结构研究为主导的纳米材料科学、微纳结构器件和新型纳米设计等领域获得巨大进步，为人类认识纳米尺度电子态和量子化效应提供强有力的手段。该技术利用了量子隧穿效应，通过在半导体或金属材料表面几个埃高度位置的一个探针上，施加可变偏压，当探针的电位与材料原子的能级或能带匹配时，电子会穿越真空势垒，隧穿到材料原子的能级上形成隧道电流。由于隧道电流与针尖离材料表面高度成指数衰减关系，从而获得了超级的原子尺度空间分辨能力。这一分辨能力为人类理解和掌握单分子、纳米结构和低维材料提供了有用的信息。但仅仅获得稳态或亚动态的信息，还不能让人们充分了解材料的微观行为。所有材料体系的构成单元(原子、分子、离子和基团)在受到扰动或起到功能化行为时，都是处于动态的过程中，它们电子态的动力学才是器件和材料工作的真实响应，也决定材料特性的重要因素，所以在STM上获得时间分辨的测试成为了一项重要的技术探索。

局限于电子器件响应时间，利用电调制的时间分辨STM只能使得时间分辨率达到微秒量级。为了获得纳秒乃至皮秒、飞秒时域的微观结构响应，激光泵浦探测技术与STM结合被提出来，开始的技术是利用激光诱导电极产生一个超快的电信号脉冲，本质上还是对电调制的一种改进，并未主动光诱导材料微观动态改变。2010年日本科研人员提出了光泵浦-探测STM设计方案，并发表了相应系列的半导体材料动态STM测试结果,图1是他们所采用的技术设计路径，其他后来的研究人员也基本沿用了这种实验设计路线。这是现在通行的光泵浦-探测STM的测试技术。该技术的基本设计思路是采用同步输出的两个飞秒激光脉冲束，两路脉冲序列的输出频率一样，其中一路激光脉冲序列有跳模，跳模可选j个脉冲间隔。两路激光束通过一个位移延迟器来调节到达探针尖端样品上的时间间隔Td，这一时间间隔可以连续调整，从而借两脉冲时间间隔Td对STM探针隧道电流的影响，以了解材料原子对光响应时间变化的动力学过程。但STM隧道电流的提取是在真实动力学过程响应曲线上，选择某个时刻与延后(j/f)时间后的那个时刻的数值差来作为某个时刻的STM动态响应信号，一般这个延后时间最小在十几个ns，这样若材料的电子态动力学响应时间在纳米范围，得到的时间分辨STM信号曲线是一个时间差的动态变化，不能取得真正的动力学过程响应曲线，如图2所示，材料响应曲线实际是图2中的曲线a，而这种技术给出的则是ΔI随Td移动的变化曲线。而且这样的曲线所给出的时间常数，如响应的寿命是没有物理上的意义的。它只能作为其它测试技术的辅助验证，而且还无法定量。