基于新型太赫兹器件的高分辨率界面空间电荷测试系统

1、基于新型太赫兹器件的高分辨率界面空间电荷测试系统界面结构中空间电荷的特性是材料应用和器件构成的基础,对空间电荷分布及状态的测量一直是相关领域内重要而活跃的内容。经过近半个世纪的探索与研究,很多测量方法已经发展成熟,测量的空间分辨率也逐渐提高。然而,随着有机电子器件、微机电系统以及纳米材料研究的兴起和深入,人们逐渐发现,现有的测量方法无法实现在更小尺度上对空间电荷相关信息的获取,这些信息的缺失使得对复杂界面的理论和实验研究都难以取得突破性的进展,将空间电荷测量分辨率提高到纳米级成为亟待解决的问题。太赫兹波的出现使得解决这一问题成为可能,然而传统太赫兹器件的电光性能和稳定性较差又在很大程度上制约了

2、该技术的发展。本文设计制作了基于电光聚合物的新型太赫兹器件,实现了太赫兹波的激发和探测,并结合弹光取样技术,搭建了具有纳米级分辨率测试系统,实现了对空间电荷的高分辨率测量,具体工作如下:提出了新型双电光分子聚合物的概念及合成方案,以聚合物为主体,一种电光分子以化学方法接枝到聚合物主链上,提高聚合物的极性,改善其与极性电光分子的相容性。同时物理混合另一种小电光分子,使得材料既性能稳定又具有较大的电光系数。制备了一系列侧基聚合物作为备选材料,表征了样品结构,测试了样品的电光性能。根据测试结果,择优选取两种材料作为主体进行优化,详细研究了电光系数随不同小电光分子掺入比的变化规律,以及电光系数随不同极

3、化温度条件的变化规律。实验结果表明,在合适的掺入比及极化温度条件下,两种材料的电光系数分别可达46.7pm/V和69.1pm/V样品具备较女?取向稳定性，室温条件下放置600小时后,电光系数分别降至初始值的61%和69%。设计制作了具有共面插指电极结构的新型双电光分子太赫兹波探测器件。器件的极化电场方向与其表面平行,太赫兹波可以垂直入射,彻底消除了入射角度对器件探测灵敏度的影响。实验结果表明,器件结构的改变,对探测材料固有的电光性能无任何影响。当探测相同的太赫兹信号时,共面插电极结构探测器件的探测幅度更高,与传统的三明治结构探测器件相比,探测幅度比为1.15:1。新型器件的开发不仅提升了探测的

4、灵敏度,而且使器件的应用更加简单、方便。搭建了太赫兹波激发与探测系统。激发源为双电光分子聚合物,探测器件为分别基于双电光分子聚合物和无机晶体制作的具有共面电极结构的太赫兹波探测器件,探测到了太赫兹时域波形。实验结果表明,与无机晶体ZnTe相比,对于探测相同的太赫兹波信号,双电光分子聚合物探测器件可以将探测幅度提升28.9%,将频谱中心频率幅度提升67.3%。如果将时域波形的幅度定义为探测效率,将频谱中心频率定义为光谱灵敏度则双电光分子聚合物探测器件在无论在探测效率还是光谱灵敏度上都具有非常明显的优势明显。设计并制作了弹光取样传感器,实现了用光学方法对弹性波信号的提取和测量。弹光取样传感器是基于

5、双电光分子聚合物的应力双折射效应,在外加应力作用下,通过检测探测光偏振态的变化,并结合光学延迟线进行时分辨取样,来获得弹性波的完整的时域信息。传感器结构合理,应用方便,可以在不改变器件结构的前提下,完成对聚合物薄膜的加压极化。传感器具有较高的反应灵敏度及良好的稳定性,在连续工作1年之后,各项性能仍然稳定,无明显变化。详细阐明了如何使空间电荷的测量达到纳米数量级的空间分辨率,并搭建了测试系统。基于脉冲电声法的基本思想,用太赫兹波作为激励,而用弹光取样传感器实现信号的提取和测量。系统性能良好,可操作性强,对待测样品和测试环境没有任何特殊的限制和要求。利用搭建的系统对硅PN在平衡状态、正偏及反偏状态下的空间电荷区进行了测试,获得了相关实验数据,并得出空间电荷区宽度随偏置电压的变化关