一种太赫兹波段材料载流子浓度测量方法

1.本发明属于太赫兹应用技术领域，涉及一种太赫兹波段材料载流子浓度测量方法。


背景技术：

2.太赫兹(thz)无损检测是thz技术的重要应用方向之一，thz波介于毫米波和红外光之间，thz波可以穿透很多红外无法透过的材料，如纸张、塑料、陶瓷和半导体等；与x射线检测相比，thz波具有更低的能量(1thz～4mev)，可以弥补x射线容易对人体造成辐射损伤这一明显缺点。
3.材料的光学参数是研究材料物理及化学性质的重要依据，载流子的浓度和运动状态对半导体的导电性质和发光性质等起到关键的作用。材料的载流子浓度通常是通过霍尔效应进行测量，但其检测精度存在较大的误差，并且无法实现太赫兹波段载流子浓度的直接检测；其次霍尔效应测量的样品尺寸有限，并不能对毫米、微米至纳米整个尺寸范围的样品进行测量。因此，需要发展一种能够实现太赫兹波材料载流子浓度检测的有效方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太赫兹波段材料载流子浓度测量方法，用于解决现有技术的检测误差大、无法直接检测以及样品尺寸受限等问题。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种太赫兹波段材料载流子浓度测量方法，该方法包括以下步骤：
7.s1：利用太赫兹光谱系统，测量无样品时的太赫兹参考信号er(t)以及有材料样品时的太赫兹样品信号es(t)，并利用傅里叶变换获得频域的参考信号er(ω)以及样品信号es(ω)；
8.s2：利用频域的参考信号er(ω)及样品信号es(ω)的比值a(ω)获得幅值比t(ω)及相位差
9.s3：根据材料光学参数与样品信号的理论关系，反演出样品的复介电常数然后计算出材料的复电导率
10.s4：根据复电导率与载流子浓度依赖关系，计算材料在不同波长下的材料载流子浓度。
11.进一步，步骤s1中，所述太赫兹光谱系统包括：太赫兹时域光谱系统、太赫兹傅里叶光谱仪、基于光电导微天线探针的太赫兹检测系统以及太赫兹散射式扫描近场光学检测系统。
12.进一步，步骤s3中，材料光学参数与样品信号的理论关系包括：远场及近场反演关系。
13.进一步，步骤s3中，当运用于近场测量系统时，主要针对太赫兹散射式扫描近场光学显微成像系统，采用近场反演关系，频域的参考信号er(ω)及样品信号es(ω)的比值a
(ω)为：
[0014][0015]
其中，表示n阶傅里叶系数；α
eff,r
与α
eff,s
分别表示参考及样品的探针有效极化率，α
eff,r/s
的表达式为：
[0016][0017]
其中，a表示探针曲率半径，d表示探针与样品间距；α表示探针极化率，β
r/s
表示参考或样品的介电响应函数，α及β
r/s
的表达式分别为：
[0018][0019][0020]
其中，表示探针复介电函数，表示参考或样品的复介电函数；然后，根据已知的参考复介电函数反演得到样品的复介电函数并计算出样品复电导率
[0021]
进一步，步骤s3中，当运用于毫米及微米尺寸样品测量时，采用远场反演关系，样品实折射率n(ω)及消光系数k(ω)分别为：
[0022][0023][0024]
其中，t(ω)与分别为利用参考及样品太赫兹光谱获得的幅值比与相位差，n0为空气折射率，c为光速，ω为太赫兹波长，l为样品厚度；
[0025]
然后，利用所求得的实折射率n(ω)及消光系数k(ω)计算出样品的复介电常数以及复电导率
[0026][0027]
进一步，步骤s4中，所述复电导率与载流子浓度依赖关系包括：drude模型、lorentz模型、drude-lorentz模型和drude-smith模型。
[0028]
本发明的有益效果在于：
[0029]
1)本发明测量方法可以实现太赫兹波段材料载流子浓度的直接测量，具有无损检测的能力。
[0030]
2)本发明采用的载流子测量方法，适用于不同的太赫兹系统，可以实现毫米到微米再到纳米尺度范围的材料载流子测量。
[0031]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0033]
图1为本发明太赫兹波段材料载流子浓度测量方法流程图。
具体实施方式
[0034]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]
请参阅图1，本实施例提供一种太赫兹波段材料载流子浓度测量方法，具体包括以下步骤：
[0036]
1)利用太赫兹光谱系统，测量无样品及有样品时的太赫兹信号(反射或透射模式)时的太赫兹参考信号er(t)以及有材料样品时的太赫兹样品信号es(t)，并利用傅里叶变换获得频域的参考信号er(ω)以及样品信号es(ω)。
[0037]
其中，太赫兹光谱系统包括：太赫兹时域光谱系统、太赫兹傅里叶光谱仪、基于光电导微天线探针的太赫兹检测系统以及太赫兹散射式扫描近场光学检测系统。
[0038]
2)利用er(ω)与es(ω)的比值a(ω)获得幅值比t(ω)及相位差
[0039]
3)利用材料光电参数与太赫兹信号的反演关系(包括远场及近场反演关系)，计算样品复折射率复电导率以及复介电常数
[0040]
①
当运用于毫米及微米尺寸样品测量时，采用远场反演关系，样品实折射率n(w)及消光系数k(w)分别为：
[0041][0042][0043]
其中，t(ω)与分别为利用参考及样品太赫兹光谱获得的幅值比与相位差，n0为空气折射率，c为光速，ω为太赫兹波长，l为样品厚度。随后，可利用所求得的实折射率n(ω)及消光系数k(w)计算出样品的复折射率复电导率以及复介电常数
[0044]
②
当运用于近场测量系统时，主要针对太赫兹散射式扫描近场光学显微成像系统，采用近场反演关系，参考及样品太赫兹光谱比值为：
[0045]
[0046]
其中，表示n阶傅里叶系数，α
eff,s
与α
eff,r
分别表示样品及参考的探针有效极化率，α
eff,r/s
可表示为：
[0047][0048]
其中，α表示探针极化率，β
r/s
表示参考或样品的介电响应函数，a表示探针曲率半径，d表示探针与样品间距，α及β
r/s
可分别表示为：
[0049][0050][0051]
其中，表示探针复介电函数，表示参考或样品的复介电函数。最后利用实验获得的a(w)及已知的参考复介电函数反演得到样品的复介电函数并进一步计算样品复电导率
[0052]
4)利用复电导率与载流子浓度依赖关系计算材料载流子浓度nc。
[0053]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。