一种材料输运性能测量系统和测量方法与流程
本发明涉及材料光学性能测量领域，尤其涉及一种材料输运性能测量系统和测量方法。
背景技术：
材料的输运性质是材料的基础性参数，其相关物理量主要包括零频电导率σ0、载流子浓度ne、弛豫时间τ、电子有效质量
因此，利用椭圆偏振测量技术获取目标材料的零频电导率σ0、弛豫时间τ、等离子体频率ωp的方法应运而生，如在【w.nounet.al.,j.appl.phys.102,063709(2007)】、【m.dresselet.al.,electrodynamicsofsolids(2003)】中有已经被应用，但现有的椭圆偏振测量技术对目标材料的光学信息获取速度慢，从而无法快速分析出材料的输运性质。
此外，利用角分辨光电子能谱测得三维电子结构，可提取出k维空间电子有效质量
技术实现要素：
为克服目前材料输运性能测量系统无法应用于组合材料芯片等高通量测量，测量速度慢，且无对输运性能完整测量的问题。本发明提供一种材料输运性能测量系统和测量方法。
本发明为解决上述技术问题的技术方案是提供一种材料输运性能测量系统，包括椭圆偏振测量装置以及热容测取装置以及控制器，所述椭圆偏振测量装置、所述热容测取装置分别与控制器电连接；所述椭圆偏振测量装置包括依次经光路连接的光源、起偏器、样品架、集成检偏器以及探测器组件；所述样品架用于放置待测样品，光源发出的光线经过起偏器照射到待测样品，待测样品将光反射到所述集成检偏器；从待测样品反射出来的多个偏振光线入射到集成偏振器，所述探测器组件与集成偏振器连接分别检测所述多个光学信号，并将多个光学信号对应转换为多个第一电信号输出给控制器；热容测取装置非接触式测量待测样品的温度参数，并将温度参数转换为第二电信号输出给控制器；控制器解析第二电信号和多个第一电信号以获取材料输运性能参数。
优选地，所述集成检偏器包括多个偏振器，每个偏振器的方位角在0-180°之间分布，从待测样品反射出来的光线入射到偏振器；所述探测器组件包括多个探测器，所述探测器与所述偏振器一一对应设置，独立检测每一偏振器的光学信号。
优选地，探测器组件还包括电子读出器，所述电子读出器与所述探测器电连接。
优选地，所述电子读出器与所述探测器一一对应连接，独立获取与之对应的每一探测器所获得的信号。
优选地，还包括扩束镜头，所述扩束镜头设置于样品架和集成检偏器之间的光路上，从待测样品反射出的光线经扩束镜头扩束后再进入集成检偏器。
优选地，还包括控制器和光电耦合器，所述光电耦合器电连接所述探测器和所述电子读出器，所述控制器与电子读出器电连接。
优选地，所述探测器为光电探测器，所述光电探测器最高采样频率为40ghz，最短测量时长为25ps。
优选地，所述电子读出器为示波器。
本发明还提供一种材料输运性能测量方法，包括以下步骤：将多个偏振态光线照射待测材料，分别探测并收集从待测材料反射回来的多个光学信号，并将多个光学信号转变为与之对应的多个第一电信号并输出的步骤；非接触式测量待测样品的温度参数，并将该温度参数变为第二电信号输出的步骤；对第二电信号和多个第一电信号的解析并计算获取材料输运性能参数的步骤。
优选地，材料输运性能参数包括零频电导率σ0以及离子体频率ωp，先利用椭圆偏振测量装置获取待测样品的离子体频率ωp，然后调节椭圆偏振测量装置的光源频率ω，使得光源频率ω等于离子体频率ωp，从而快速准确的获取待测样品的零频电导率σ0。
与现有技术相比，本发明所提供的一种材料输运性能测量装置10具有如下的优点：
1、通过椭圆偏振测量装置以及热容测取装置与待测样品的非接触式测量，无损获取待测材料m的材料输运性能参数，避免测量装置与待测样品接触对待测样品造成损坏，使得该材料输运性能测量装置对待测样品的材料限制更小，适应性更广。
同时解决了测量部分材料输运性能参数表面敏感以及测量速度慢的问题。
进一步，通过探测器组件将集成偏振器检测到的多个光信号对应解析为多个第一电信号，使得每个第一电信号附带单一的偏振光信息，使得信号解析速度更快。
2、通过椭圆偏振测量装置对每一个偏振器对应配置一个独立的探测器，使得探测器可以只需获取通过单一偏振片所输出的单一方向的偏振光，其光学数据的采样效率更高，快速获取偏振器接近纳秒级别的高速动态参数。
3、通过椭圆偏振测量装置对每一个探测器对应配置一个电子读出器，即电子读出器与探测器一一对应配置连接，以使电子读出器只需读取与其对应的匹配的探测器所探测获取的的光学数据信息，并将光学数据信息转换为电信号，使得光学数据新型转换效率更高，进而使得椭圆偏振仪测量速度提升至纳秒级，从而实现大量物理量的动态测量。
4、通过椭圆偏振测量装置将扩束镜头设置在样品台和集成检偏器之间，将经过起偏器的偏振光进行扩束，以扩展激光束的直径，同时减小激光束的发散角，便于偏振光信号的采集。
【附图说明】
图1是本发明一种材料输运性能测量系统的结构示意图。
图2是本发明一种材料输运性能测量系统的样品台的结构示意图。
图3a是本发明一种材料输运性能测量系统的集成检偏器与探测器组件配合的结构示意图。
图3b是本发明一种材料输运性能测量系统的集成检偏器内的偏振器偏振方向示意图。
图4是本发明一种材料输运性能测量系统的探测器组件与控制器配合的结构示意图。
图5是本发明一种材料输运性能测量系统的探测器组件与控制器配合的一种变形结构示意图。
图6是本发明一种材料输运性能测量系统的一种变形结构示意图。
图7是本发明提供的一种材料输运性能测量方法的流程图。
图8是本发明提供的一种材料输运性能测量方法的步骤s1的具体流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要特别说明的是，在本发明中，当元件被称为“设置于”或“设于”另一元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“上”及“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，不是旨在限制本发明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种材料输运性能测量系统100，其包括电连接的椭圆偏振测量装置101以及热容测取装置103。椭圆偏振测量装置101包括光源20、起偏器30、样品台40、扩束镜头50、集成检偏器60、探测器组件70以及控制器80。热容测取装置103包括测温仪10以及调温仪90。
其中光源20、起偏器30、样品台40、扩束镜头50、集成检偏器60以及探测器组件70依次经光路设置。控制器80与光源20、样品台40、集成检偏器60、探测器组件70、测温仪10以及调温仪90电连接，并通过labview等进行编程控制，实现测量过程的自动化控制以及数据采集与分析。
请参阅图2，样品台40用于放置待测样品m，该样品台40上设置有一个或多个真空吸附槽401，待测样品m放置安放在真空吸附槽401上，真空泵(图未示)与真空吸附槽401连接，当真空泵工作时，样品m被真空吸附槽401中的负压吸附固定于样品台40上。为了增强真空吸附力度，真空吸附槽401与待测样品m的接触面形状可以设置为环形，“回”型、“h”型或“米”型等形状，以增加待检测样品m与真空吸附槽401的接触面积。
测温仪10与调温仪90均可以设置于样品台40周围或设置于样品台40上，测温仪10和调温仪90配合用于检测待测样品m的温度和/或待测样品m周围环境的温度，以获取待测样品m的热容与待测样品m的随温度t变化的函数关系的函数c(t)。待测样品m的热容包括了电子热容ce与声子热容cp。优选地，测温仪10为红外测温仪，例如是tegehg红外测温装置。调温仪90优选为脉冲激光器，例如采用波长为1064nm，脉冲宽度5ns～1us可调的激光器，脉冲激光器可以实现对材料的快速加热。
光源20采用激光光源，优选为波长为632.8nm的he-ne气体激光光源。起偏器30优选为方解石材料制作的glan-foucault偏振棱镜。
由光源20出射的光入射到起偏器30后变成偏振光，偏振光入射到待测样品m上。入射到待测样品m上的偏振光被待测样品m反射，被反射的偏振光经扩束镜头50扩束后进入到集成检偏器60，经过集成检偏器60射出的光线被探测器组件70捕获解析并输出信号，输出的信号被送到控制器80进行分析处理，即得到相应的光学常数。
通过将扩束镜头50设置在样品台40和集成检偏器60之间，将经过起偏器30的偏振光进行扩束，以扩展激光束的直径，同时减小激光束的发散角，便于偏振光信号的采集。优选地，扩束镜头50的扩束倍率约5～10倍。
请参阅图3a-3b以及图4，集成检偏器60包括支架601以及偏振器603。支架601为直径为9.5mm、厚约2mm的铝支架，在支架601上设置有n个偏振器603，n大于零的正整数，比如，可以设置1个，或者2个，或者3个以上的偏振器，优选为10个偏振器603。各偏振器603的方位角α在0～180°范围内大致均布。可以理解，偏振器603的方位角分布可以是不均匀分布。
具体地，集成检偏器60是在支架601上设置n个小孔(如方孔)，方孔的取向各异，方位角在0-180°范围内大致均匀分布，将各偏振器603加工成与小孔尺寸相匹配的大小，再按偏振器603的透振方向，将它们放入各小孔使每个小孔中的偏振器603的透振方向不同，并且其方位角也在0-180°范围内大致均匀分布，多角度均匀分布，从而使从反射光经集成检偏器60后，出射光具有不同偏振态。
通过设置偏振器603的数量来确定集成检偏器60单次获取多种出射光偏振态的数据，通过调节各个偏振器603的方位角α来确定每一个偏振器603所获取的偏振态数据，通过多个偏振器603方位角均匀布设，以获取各个不同方位角的偏振态数据差异，且偏振态数据差异大小由偏振器603方位角之间的大小决定，可以通过增加或减少偏振器603来调节其方位角的大小，当均匀布设的偏振器603数量少时，各个偏振器603的方位角之间之间差异较大，反之较小。
每个偏振器603均对应有一个独立的探测器组件70与之连接，探测器组件70可以快速检测并获取经与其对应的偏振器603的光偏振态数据，并将检测到的光学数据转换为电信号输出给控制器80，控制器80将探测器组件70输出过来的电信号分析处理，获得待测样品m的一种或多种光学参数。
具体地，探测器组件70包括探测器703以及电子读出器705。探测器703优选为newportphotodetectors1014光电探测器，其最高采样频率可达40ghz，最短测量时长25ps，可以快速获取偏振器603接近纳秒级别的高速动态参数。
同时电子读出器705可以读取探测器703的所获取的数据信号，并将显示和/或传输到控制器80。电子读出器705优选为示波器，其具有10ghz采样速率，电子读出器705与探测器703连接，将所有信号测量速度提升至1ghz以上。
由于每一个偏振器603只能通过特定方向的偏振光，通过与每一个偏振器603对应配置一个独立的探测器703，使得探测器703可以只需获取通过单一偏振片所输出的单一方向的偏振光，并将该偏振光数据转换为与之对应的电信号输出，使光学数据的采样、转换效率更高，快速获取偏振器603接近纳秒级别的高速动态参数。
同时，探测器703为光学探测器，可以更优的采集偏振器603所输出的光学数据并将其转变为电信号。
进一步，通过每一个探测器703对应配置一个电子读出器705，即电子读出器705与探测器703一一对应配置连接，以使电子读出器705只需读取与其对应的匹配的探测器703所输出的电信号，并解析输出该电信号和/或解析显示该电信号，使得从而使得光学信号的捕获和转换效率更高，进而使得椭圆偏振仪测量速度提升至纳秒级，最终可以得到更全面的椭圆偏振光的形态分布，从而实现大量物理量的动态测量。
为进一步了解材料的光学特性进提供更优的技术资料。
在本实施例中，探测器703是通过光纤耦合器701与对应的偏振器603连通，以采集偏振器603输出过来的光学信号。光纤耦合器701、探测器703以及电子读出器705构成一个检测通道，检测与该通道对应的偏振器603的光学信号。
可以理解，本实施例中，每一个探测器703获取的是单一偏振器603所传输的光学信号，并将该光学信号转换为一电信号；电子读出器705与探测器703一一对应，每一个电子读出器705解析该对应的电信号，并将其输出显示和/或传递到控制器80进行综合处理。这样对偏振器603所传递的光学信号采集分析能力更为突出，测量速度提升至纳秒级，可以获取待测样品更深的光学性能。因此，偏振器603、探测器703以及电子读出器705一一对应连接为优选方案，可以更快速的读出偏振器603所获取的光学信号。
可以理解，控制器80的数量也可以与电子读出器705一一对应设置，对应读取电子读出器705传递和/或解析的电信号。
请参阅图5，作为本发明的一个变形实施例，其与第一实施例不同的是，电子读出器705不是与探测器703一一对应连接关系，而是多个探测器703共同连接一个、两个或多个电子读出器705，电子读出器705同时解析多个探测器703所传递的信息。同时电子读出器705连接至控制器80，控制器80可以与电子读出器705一一对应，也可以不用一一对应，只需保证控制器80具有足够强大的数据读取能力，可以读取和/或记录电子读出器705的数据信号即可。
请参阅图6，作为本发明的另一个变形实施例，本实施例提供一种材料输运性能测量系统100’，其与第一实施例不同的是，本实施例中没有扩束镜头50。从光源20射出的光线经过起偏器30射入到放置在样品台40的待测样品m上，从待测样品m上反射出的光线进入到集成检偏器60，然后被探测器组件70探测获取光信息并转换为点信号，并将电信号输出给控制器80，控制器80对电信号进行处理。
本发明材料输运性能测量系统对待测样品光学性能参数确定方法如下：
椭圆偏振测量技术是表征材料光学常数谱的重要手段，利用椭圆偏振测量装置101，测量待测样品m的介电常数谱，以获得待测样品m的等离子体频率ωp、零频电导率σ0以及弛豫时间τ等参数。
在利用椭圆偏振测量技术获得材料等离子体频率ωp后，待测样品的介电常数虚部谱εi(ω)如下：
其中，γ为阻尼频率，将光源20改变为深紫外光源，且光源20的频率ω等于或近似等于待测样品m的材料等离子体频率ωp时，可以消除lorentz项∑ln(ω)，同时简化介电常数虚部谱εi(ω)。
从而快速准确的获取待测样品m的零频电导率σ0。
差示扫描量热法可测量待测样品m的热容与温度依赖关系c(t)，利用热容测取装置103改变温度t获得热容与温度依赖关系c(t)，从而获取待测样品m的费米温度tf，待测样品m的热容与温度依赖关系c(t)在【c.kittel,introductiontosolidstatephysics(2004)】已经被应用，在此不再赘述。
待测样品m的载流子浓度ne、电子有效质量
其中ε0为真空环境媒质的介电常数，kb是玻尔兹曼常数，
至此，待测材料m的零频电导率σ0、等离子体频率ωp、弛豫时间τ、载流子浓度ne、电子有效质量
以上，待测材料m的介电常数谱可以获得待测材料m的零频电导率σ0、等离子体频率ωp、弛豫时间τ，热容随时间变化的函数c(t)、待测样品m的费米温度tf、载流子浓度ne、电子有效质量
本发明通过椭圆偏振测量装置101以及热容测取装置103与待测样品m的非接触式测量，无损获取待测材料m的零频电导率σ0、弛豫时间τ、等离子体频率ωp、载流子浓度ne、电子有效质量
同时，通过椭圆偏振测量装置101以及热容测取装置103与待测样品m的非接触式测量，解决了测量部分材料输运性能参数表面敏感以及测量速度慢的问题。
进一步，椭圆偏振测量装置101可以获取纳秒级别的光学信号参量，从而实现大量物理量的动态测量。
请参阅图7，本发明还提供第二实施例一种材料输运性能的测量方法，其包括以下步骤：
步骤s1：将多个偏振态光线照射待测材料；分别探测并收集从待测材料反射回来的多个光学信号，并将多个光学信号转变为与之对应的多个第一电信号并输出。
请参阅图8，步骤s1具体包括以下步骤：
步骤s11：光源发射光线，光线射入起偏器变偏振光射出，偏振光照射到待测样品上并被反射。
步骤s12：被反射的偏振光进入集成检偏器内，集成检偏器内设置有多个偏振器，多个偏振器将反射光线变为多个方向的偏振光。
步骤s13：多个探测器与多个偏振器一一对应连接设置，每一个探测器对应获取与之连接的偏振器的光学信号，并将光学信号转换成第一电信号。
步骤s14：电子读出器读取探测器的探测器输出的第一电信号，并将其解析显示和/或输出给控制器。
进一步，步骤s11和步骤s12之间还包括步骤s111：
步骤s111：被待测样品反射的偏振光经过扩束镜头的扩束处理后再进入集成检偏器内。
优选地，步骤s11中的光源为激光光源，该激光光源为波长632.8nm的he-ne气体的激光光源。
优选地，步骤s12中的探测器为光电探测器，该光电探测器的最高采样频率可达40ghz，最短测量时长25ps。
优选地，步骤s14中的电子读出器与探测器一一对应设置，独立读取每一个探测器的所探测到的信号。
步骤s2：非接触式测量待测样品的温度参数，并将该温度参数变为第二电信号输出。
具体地，热容测取装置包括测温仪10与调温仪90，调温仪90通过向待测样品发射激光脉冲，测温仪10利用红外检测待测样品的温度数据，并将温度数据转换为第二电信号并传递给控制器80。
步骤s3：对第二电信号和多个第一电信号的解析并计算获取材料输运性能参数。
步骤s3中的材料输运性能参数包括零频电导率σ0、弛豫时间τ、离子体频率ωp、载流子浓度ne、电子有效质量
步骤s3中，先利用椭圆偏振测量装置获取，待测样品m的离子体频率ωp，然后通过将椭圆偏振测量装置的光源频率ω调整为等于或近似等于离子体频率ωp，简化待测样品的介电常数虚部谱εi(ω)，从而快速准确的获取待测样品m的零频电导率σ0。
与现有技术相比，本发明所提供的一种材料输运性能测量装置10具有如下的优点：
1、通过椭圆偏振测量装置以及热容测取装置与待测样品的非接触式测量，无损获取待测材料m的材料输运性能参数，避免测量装置与待测样品接触对待测样品造成损坏，使得该材料输运性能测量装置对待测样品的材料限制更小，适应性更广。
同时解决了测量部分材料输运性能参数表面敏感以及测量速度慢的问题。
进一步，通过探测器组件将集成偏振器检测到的多个光信号对应解析为多个第一电信号，使得每个第一电信号附带单一的偏振光信息，使得信号解析速度更快。
2、通过椭圆偏振测量装置对每一个偏振器对应配置一个独立的探测器，使得探测器可以只需获取通过单一偏振片所输出的单一方向的偏振光，其光学数据的采样效率更高，快速获取偏振器接近纳秒级别的高速动态参数。
3、通过椭圆偏振测量装置对每一个探测器对应配置一个电子读出器，即电子读出器与探测器一一对应配置连接，以使电子读出器只需读取与其对应的匹配的探测器所探测获取的的光学数据信息，并将光学数据信息转换为电信号，使得光学数据新型转换效率更高，进而使得椭圆偏振仪测量速度提升至纳秒级，从而实现大量物理量的动态测量。
4、通过椭圆偏振测量装置将扩束镜头设置在样品台和集成检偏器之间，将经过起偏器的偏振光进行扩束，以扩展激光束的直径，同时减小激光束的发散角，便于偏振光信号的采集。
本发明所提供的一种材料输运性能测量方法与本发明所提供的材料输运性能测量装置具有相同的优点。在此不再赘述。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
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