一種探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中晶格畸變的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納米光子學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于二次諧波顯微術(shù)探測單根彎曲半導(dǎo)體 納米線中的晶格畸變的高靈敏度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為微納光子學(xué)器件和集成電路的基本元件，半導(dǎo)體納米線近年來引起了研究者 的極大興趣。而納米線在集成過程中不可避免有彎曲現(xiàn)象發(fā)生，由彎曲導(dǎo)致的晶格間距的 變化所引起的熒光峰位置的改變已有不少研究，但是這種晶格畸變導(dǎo)致的二次諧波的變化 至今還沒有相關(guān)報(bào)導(dǎo)。另外，這種晶格畸變目前都是通過透射電子顯微鏡(TEM)來檢測，不 僅造成對(duì)樣品的損傷，誤差較大，并且TEM無法測定塊狀材料和已經(jīng)集成的微納光子學(xué)器 件，尤其是對(duì)電子不透明基底上的器件。如2009年，在《Advanced Materials》，vol .21， 4937-4941上的"在彎曲的氧化鋅納米線中電子和機(jī)械的親合"（Electronic and Mechanical Coupling in Bent ZnO Nanowires)一文中報(bào)道的TEM測試的彎曲納米線中晶 格間距的變化只有2%-3%，變化范圍很小。
[0003] 二次諧波是一種二階非線性光學(xué)效應(yīng)，即栗浦光轉(zhuǎn)換成其二倍頻光子的過程。近 年來，利用其偏振特性，二次諧波提供了一種探測非中心對(duì)稱材料晶體取向的方法。如在 2015年，在《Nano Letters》，vol. 15，3351-3357上的"通過二次諧波顯微術(shù)精準(zhǔn)確定單根硫 化鋅納米線的晶格取向"（Precise Determination of the Crystallographic Orientations in Single ZnS Nanowires by Second-Harmonic Generation Microscopy) -文中報(bào)道了使用二次諧波的方法確定納米線的晶體取向。另外，二次諧波對(duì) 晶格間距變化所引起的二階非線性極化率的改變也是非常敏感的，因此它提供了一種用來 探測彎曲納米線中晶格畸變的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體納米線中晶格畸變探測中對(duì)樣品有損傷，以及誤差較大的 技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于一種基于二次諧波顯微術(shù)探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中的晶 格畸變的高靈敏度方法，旨在解決以上技術(shù)問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中的晶格畸變的 方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] (1)用栗浦脈沖激光經(jīng)物鏡聚焦，激發(fā)單根直的半導(dǎo)體納米線上固定一點(diǎn)A，通過 連續(xù)改變所述激光的偏振方向和納米線長軸之間的夾角，即偏振角Θ，測得所述A點(diǎn)二次諧 波信號(hào)強(qiáng)度隨所述偏振角Θ變化的關(guān)系圖；
[0007] (2)在顯微系統(tǒng)下，利用鎢絲探針推動(dòng)所述直的納米線一端，使步驟（1)所測半導(dǎo) 體納米線的所述A點(diǎn)處逐漸彎曲，并測得所述A點(diǎn)二次諧波信號(hào)強(qiáng)度隨所述偏振角Θ變化的 關(guān)系圖，過程中保持所述激光聚焦位置在所述A點(diǎn)不變；
[0008] (3)通過Origin擬合處理實(shí)驗(yàn)所得關(guān)系圖，分析可得只有在偏振角θ = 90°和θ = 〇° 時(shí)的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比顯著減小，且是單調(diào)減小，對(duì)半導(dǎo)體納米線A點(diǎn)彎曲曲率變化最 靈敏，因此可以由此二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比與彎曲曲率之間的關(guān)系來探測單根彎曲半導(dǎo)體 納米線中的晶格畸變情況。
[0009] 優(yōu)選地，所述的半導(dǎo)體納米線為纖鋅礦，直徑為100nm-800nm，長度大于50μπι，生長 方向?yàn)檠豤軸[001]生長；
[0010] 優(yōu)選地，所述的Origin擬合處理公式是由半導(dǎo)體納米線的二階非線性極化率和二 次諧波強(qiáng)度計(jì)算公式推導(dǎo)所得。
[0011] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果：
[0012] (1)通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，相比傳統(tǒng)透射電子顯微鏡的方法（晶格間 距的變化范圍約為3%)，本發(fā)明中偏振角θ = 90°和θ = 〇°時(shí)的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比變化 范圍約為30%，因此能夠靈敏探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中的晶格畸變，且提高近一個(gè)數(shù) 量級(jí)的靈敏度。另外，這種基于光學(xué)的二次諧波方法具有無損壞樣品，裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于 操作，重復(fù)性強(qiáng)，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0013]圖1為實(shí)施例1中氧化鋅納米線的X-射線衍射圖譜。
[0014] 圖2為實(shí)施例1中所使用裝置示意圖。
[0015] 圖3為實(shí)施例1中單根氧化鋅納米線彎曲變化的光學(xué)圖及所對(duì)應(yīng)的測得的二次諧 波信號(hào)強(qiáng)度隨偏振角變化的關(guān)系圖。白色圓環(huán)所示為栗浦光聚焦位置Α點(diǎn)。Ε ω為栗浦光的偏 振方向，Θ為栗浦光偏振方向和納米線長軸之間的夾角。光學(xué)圖比例尺為20μπι。
[0016] 圖4為實(shí)施例1所測的單根氧化鋅納米線在偏振角θ = 90°和θ = 〇°時(shí)的二次諧波信 號(hào)強(qiáng)度之比隨彎曲曲率變化的關(guān)系圖。
[0017] 圖中的附圖標(biāo)記為:媽絲探針1、石英襯底2、物鏡3、濾波片4、分色鏡5、半波片7、栗 浦脈沖激光6、分光鏡8、光譜儀9、(XD 10。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0019] -種基于二次諧波顯微術(shù)探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中晶格畸變的高靈敏度方 法，包括以下步驟：
[0020] (1)如圖2所示，栗浦脈沖激光6經(jīng)物鏡3聚焦，激發(fā)單根直的半導(dǎo)體納米線上一點(diǎn) Α，并測得Α點(diǎn)二次諧波信號(hào)強(qiáng)度偏振角變化的關(guān)系圖，如圖3(a)所示，實(shí)驗(yàn)中保持栗浦光聚 焦位置在A點(diǎn)不變；
[0021] (2)在顯微系統(tǒng)下，利用鎢絲探針推動(dòng)納米線一端，使步驟（1)所測半導(dǎo)體納米線 的A點(diǎn)處逐漸彎曲，并測得A點(diǎn)二次諧波信號(hào)強(qiáng)度隨偏振角變化的關(guān)系圖，如圖3(b-c)所示； [0022] (3)通過Origin擬合處理實(shí)驗(yàn)所得關(guān)系圖，可以得到在納米線偏振角θ = 90°和θ = 0°時(shí)的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比隨彎曲曲率逐漸增大顯著減小，且是單調(diào)減小，對(duì)半導(dǎo)體納 米線Α點(diǎn)彎曲曲率變化最靈敏，因此可以由此二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比與彎曲曲率之間的關(guān) 系來探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中的晶格畸變情況。相比較透射電鏡測試晶格間距變化范 圍約為3%，本發(fā)明二次諧波信號(hào)強(qiáng)度變化范圍達(dá)到30%，顯著提高晶格畸變的探測靈敏 度，如圖4所示。
[0023] 所述的氧化鋅納米線直徑為100nn-800nm，長度大于50μηι，生長方向?yàn)檠豤軸[001] 生長。所述栗浦脈沖激光的波長約為820nm，脈寬為50fs，重復(fù)頻率為80MHz。所述物鏡為40 倍，數(shù)值孔徑為0.55。所述Origin擬合處理中公式是由氧化鋅納米線的二階非線性極化率 以及二次諧波強(qiáng)度計(jì)算公式推導(dǎo)所得，如下所示。
[0024]氧化鋅的二階非線性極化率：
[0025]
[0026] 二次諧波在納米線晶軸各方向的偏振分量：
[0027]
(2)
[0028]其中Ecx，Ecy和Ecz為栗浦脈沖激光在納米線晶軸各方向的電場分量，ε〇為真空介電 常數(shù)，Ρα，Per和?。2為二次諧波在納米線晶軸各方向偏振分量。
[0029] 二次諧波信號(hào)的總強(qiáng)度：
[0030] (3)
[0031] 其中c為真空中光速，k為二次諧波波數(shù)，V為栗浦脈沖激光作用在納米線上的體 積。
[0032] 擬合處理直的氧化鋅納米線二次諧波強(qiáng)度隨偏振角度改變的關(guān)系圖時(shí)du各分量 為氧化鋅二階非線性極化率的標(biāo)準(zhǔn)值，擬合處理彎曲時(shí)保持其中一個(gè)變量恒定，其他分量 隨擬合改變。
[0033]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中的晶格畸變的方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： (1) 用栗浦脈沖激光經(jīng)物鏡聚焦，激發(fā)單根直的半導(dǎo)體納米線上固定一點(diǎn)A，通過連續(xù) 改變所述激光的偏振方向和納米線長軸之間的夾角，即偏振角Θ，測得所述A點(diǎn)二次諧波信 號(hào)強(qiáng)度隨所述偏振角Θ變化的關(guān)系圖； (2) 在顯微系統(tǒng)下，利用鎢絲探針推動(dòng)所述直的納米線一端，使步驟（1)所測半導(dǎo)體納 米線的所述A點(diǎn)處逐漸彎曲，并測得所述A點(diǎn)二次諧波信號(hào)強(qiáng)度隨所述偏振角Θ變化的關(guān)系 圖，過程中保持所述激光聚焦位置在所述A點(diǎn)不變； (3) 通過Origin擬合處理實(shí)驗(yàn)所得關(guān)系圖，分析可得只有在偏振角Θ= 90°和Θ= 〇°時(shí)的 二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比顯著減小，且是單調(diào)減小，對(duì)半導(dǎo)體納米線A點(diǎn)彎曲曲率變化最靈 敏，因此可以由此二次諧波信號(hào)強(qiáng)度之比與彎曲曲率之間的關(guān)系來探測單根彎曲半導(dǎo)體納 米線中的晶格畸變情況。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體納米線為纖鋅礦，直徑為 100nm-800nm，長度大于50μηι，生長方向?yàn)檠豤軸[001]生長。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Origin擬合處理的公式是由半導(dǎo)體納 米線的二階非線性極化率和二次諧波強(qiáng)度計(jì)算公式推導(dǎo)所得。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二次諧波顯微術(shù)探測單根彎曲半導(dǎo)體納米線中晶格畸變的高靈敏度方法。在顯微系統(tǒng)下，利用探針推動(dòng)單根納米線一端使之彎曲，從而產(chǎn)生不同程度的晶格畸變。同時(shí)，將一束激光聚焦至單根納米線上一點(diǎn)A，并連續(xù)改變泵浦光偏振方向和納米線長軸之間的夾角(偏振角θ)，測定二次諧波強(qiáng)度隨偏振角θ的變化關(guān)系。在保持泵浦光聚焦位置在A點(diǎn)不變的情況下，隨彎曲曲率逐漸增大，偏振角θ＝90°和θ＝0°時(shí)的二次諧波強(qiáng)度之比顯著減小。本發(fā)明提供了一種新型測定半導(dǎo)體納米線晶格畸變的全光方法，相對(duì)于傳統(tǒng)透射電鏡法，其探測靈敏度提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，具有不損傷樣品、可測塊體材料，可適用于液態(tài)、低溫等各種環(huán)境等優(yōu)勢。
【IPC分類】G01N21/21
【公開號(hào)】CN105466862
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510815035
【發(fā)明人】陸培祥, 韓曉博, 王凱, 龍華, 王兵
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月22日