可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電學(xué)性能測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法，測(cè)量步驟為在具有電極的試樣上加一個(gè)陡峭的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷受到脈沖電場(chǎng)力的作用會(huì)發(fā)生一定的位移，這可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波，該彈性波攜帶了空間電荷的分布信息，通過(guò)對(duì)其測(cè)量和分析，就可以得到空間電荷在介質(zhì)中的分布狀態(tài)。本發(fā)明利用超短電磁波激發(fā)和彈光取樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有納米級(jí)分辨率的空間電荷分布測(cè)量方法，對(duì)材料中存在的空間電荷進(jìn)行更精細(xì)的測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電學(xué)性能技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固體電介質(zhì)材料在某些因素的作用下，改變了自身電荷的分布狀態(tài)，或者俘獲了外來(lái)電荷，使得在材料內(nèi)部出現(xiàn)了局部的凈電荷，這就是所謂的空間電荷。由于空間電荷與電介質(zhì)材料的性能密切相關(guān)，因此，對(duì)電介質(zhì)中空間電荷的產(chǎn)生及變化的測(cè)試是表征材料特性的重要方法。隨著納米絕緣材料研究與應(yīng)用的興起和深入，需要實(shí)現(xiàn)在納米尺度上對(duì)電荷的空間分布進(jìn)行測(cè)量。對(duì)電介質(zhì)中空間電荷分布的非破壞性測(cè)量，按照測(cè)量原理可以歸納為，彈性波法、熱波法、光電法、掃描探針?lè)āＦ渲星叭惙椒ㄗ罡呖色@得約Iym的空間分辨率，掃描探針?lè)ㄔ谠瓌t上可以獲得納米級(jí)的分辨率。但是掃描探針?lè)ū举|(zhì)是表面測(cè)量，對(duì)于不同類型的材料如何獲得高質(zhì)量的測(cè)量表面，是非常困難的問(wèn)題，更重要的是在獲得測(cè)量表面的過(guò)程中是否會(huì)引起電荷的重新分布也是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。脈沖電聲法(PEA)屬于彈性波類的測(cè)量方法，其基本原理是，在具有電極的試樣上加一個(gè)陡峭的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷受到脈沖電場(chǎng)力的作用會(huì)發(fā)生一定的位移，這可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波。該彈性波攜帶了空間電荷的分布信息，通過(guò)對(duì)其測(cè)量和分析，就可以得到空間電荷在介質(zhì)中的分布狀態(tài)。目前PEA方法的空間分辨率大約能達(dá)到約ΙΟμπι。分辨率的限制來(lái)源于測(cè)試系統(tǒng)的帶寬。測(cè)試的最高分辨率可以等效成在時(shí)域上對(duì)兩個(gè)半高寬為τ的脈沖的分辨，當(dāng)兩個(gè)脈沖的中心相距為τ時(shí)稱為恰能分辨。1Λ就是系統(tǒng)的工作帶寬。對(duì)于脈沖電聲法，空間分辨率R=tv，V是彈性波在介質(zhì)當(dāng)中的傳播速度，對(duì)于電絕緣領(lǐng)域使用的典型材料聚乙烯，V=2000m/s。如果R=lnm，那么測(cè)試系統(tǒng)的帶寬大約需要2\1012取，8卩2太赫茲(1'取)。這樣高的帶寬是目前所有使用電子測(cè)試技術(shù)的空間電荷測(cè)試方法都無(wú)法達(dá)到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有的空間電荷測(cè)量不精細(xì)的不足，本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法，利用超短電磁波激發(fā)和彈光取樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有納米級(jí)分辨率的空間電荷分布測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法，測(cè)量步驟為在具有電極的試樣上加一個(gè)陡峭的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷受到脈沖電場(chǎng)力的作用會(huì)發(fā)生一定的位移，這可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波，該彈性波攜帶了空間電荷的分布信息，通過(guò)對(duì)其測(cè)量和分析，就可以得到空間電荷在介質(zhì)中的分布狀態(tài)。
[0005]本發(fā)明的有益效果是，利用超短電磁波激發(fā)和彈光取樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有納米級(jí)分辨率的空間電荷分布測(cè)量方法，對(duì)材料中存在的空間電荷進(jìn)行更精細(xì)的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0006]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0007]圖1是基于超短電磁波激發(fā)的脈沖電聲法空間電荷全光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖。
[0008]圖2是彈光取樣傳感器原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]如圖1、2所示，一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法，對(duì)于傳統(tǒng)的PEA測(cè)試系統(tǒng)，限制系統(tǒng)工作帶寬無(wú)法達(dá)到THz級(jí)別的因素主要有兩個(gè)，其一是激勵(lì)電壓信號(hào)，其二是測(cè)試傳感器和電路。利用電子電路無(wú)法處理如此高帶寬的信號(hào)，所以在PEA測(cè)試系統(tǒng)中，應(yīng)該對(duì)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)測(cè)試方法進(jìn)行根本改變，利用全新的原理進(jìn)行工作。在激勵(lì)端，用太赫茲超短電磁波代替原來(lái)的脈沖電壓。而在測(cè)量端，用彈光取樣傳感器代替原來(lái)的壓電傳感器和電子放大器，即利用非線性光學(xué)材料構(gòu)成的傳感器接收攜帶電荷信息的彈性波。其工作原理是，接收傳感器被線偏振激光照射，當(dāng)彈性波作用到傳感器上時(shí)，由于彈光效應(yīng)使傳感器的光學(xué)特性發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)探測(cè)光的偏振狀態(tài)發(fā)生的變化就可以探測(cè)彈性波。同時(shí)結(jié)合光學(xué)延遲線進(jìn)行時(shí)分辨取樣，從而獲得彈性波的時(shí)域信息，這一過(guò)程可稱為彈光取樣。這是一種全光學(xué)測(cè)量，克服了傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)量的限制，利用該方法可以使測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到需要的帶寬。
[0010]依據(jù)上述原理構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)如附圖1所示。被測(cè)樣品、彈光取樣傳感器與激勵(lì)太赫茲波的耦合關(guān)系如附圖2所示，圖中，測(cè)試樣品為納米絕緣材料?；竟ぷ鬟^(guò)程是，一束偏振飛秒激光由分光鏡分成兩束，一束照射電光晶體材料(或者電光聚合物材料)激發(fā)出太赫茲超短電磁波。太赫茲波經(jīng)反射鏡組準(zhǔn)直和聚焦后，作為激發(fā)波耦合到被測(cè)樣品中，太赫茲波的電場(chǎng)分量與界面區(qū)中的空間電荷相互作用，激發(fā)出彈性波。被測(cè)樣品與彈光取樣傳感器相耦合，彈性波由該傳感器接收。分光鏡輸出的另一束為探測(cè)光，經(jīng)光學(xué)延遲線延遲一定時(shí)間后照射到彈光取樣傳感器上。1/4波片和平衡檢測(cè)器構(gòu)成偏振狀態(tài)檢測(cè)單元，檢測(cè)從彈光取樣傳感器輸出的探測(cè)光偏振狀態(tài)。光學(xué)延遲線、彈光取樣傳感器、平衡檢測(cè)器等實(shí)際上構(gòu)成了時(shí)分辨取樣測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)步進(jìn)地控制延遲時(shí)間，就可以分時(shí)地獲得彈性波的時(shí)域信息，將這些時(shí)域信息組合起來(lái)，就能獲得完整的彈性波時(shí)域波形。彈性波的幅度表示空間電荷的密度，彈性波到達(dá)彈光傳感器的時(shí)延代表空間電荷的位置。
[0011 ]測(cè)試系統(tǒng)中，彈光傳感器由長(zhǎng)寬厚為10 X 5 X Imm的電光晶體或電光聚合物材料構(gòu)成，在其一側(cè)面上蒸鍍50μπι厚的鋁膜作為反射膜。利用70fs，能量2yj的飛秒激光脈沖激發(fā)太赫茲脈沖電磁波。離軸拋物柱面反射器焦距為200mm，光學(xué)延遲線的分辨率為Ips。
[0012]以上說(shuō)明對(duì)本發(fā)明而言只是說(shuō)明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的空間電荷全光學(xué)測(cè)量方法，其特征在于，測(cè)量步驟為在具有電極的試樣上加一個(gè)陡峭的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷受到脈沖電場(chǎng)力的作用會(huì)發(fā)生一定的位移，這可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波，該彈性波攜帶了空間電荷的分布信息，通過(guò)對(duì)其測(cè)量和分析，就可以得到空間電荷在介質(zhì)中的分布狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G01R29/00GK106093596SQ201610387024
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日 公開號(hào)201610387024.6, CN 106093596 A, CN 106093596A, CN 201610387024, CN-A-106093596, CN106093596 A, CN106093596A, CN201610387024, CN201610387024.6
【發(fā)明人】解洪俊, 王暄, 周春云
【申請(qǐng)人】江蘇寶源高新電工有限公司