一种多功能超快阴极荧光探测系统及其应用方法

本发明涉及超快阴极荧光探测领域，尤其涉及一种多功能超快阴极荧光探测系统及其应用方法。

背景技术：

1、随着纳米科技的发展与半导体光电器件的集成化程度越来越高，人们开始将光电功能器件搭载的平台建设在各种低维半导体纳米材料上，其尺寸小至数纳米甚至原子量级。对于大多数低维半导体纳米材料而言，其光电子器件运载过程中的性能主要取决于其载流子的动力学过程，例如激发态的载流子传输、缺陷态对载流子的捕获、载流子的复合发光等，并且这些动力学过程大多发生在纳秒、皮秒乃至飞秒时间尺度上。只有借助具有超高时空分辨的能量载流子测量分析技术，才能对单个纳米结构单元内不同位置的激发态载流子的动力学信息进行探测，从而理解不同纳米结构在界面、缺陷与外场调控下的载流子动力学行为，促进高性能纳米光电功能材料与器件的设计与开发。因此，发展具有超高时空分辨的能量载流子动力学探测与分析技术，既能促进基础研究领域的理论发展，也是开发各种新型低维纳米器件和应用的关键，同时也是一项极具挑战的任务。

2、对于半导体纳米材料激发态载流子动力学的研究，目前所采用的主要是时间分辨的光致发光光谱、时间分辨的瞬态吸收光谱和时间分辨的高次谐波谱等基于皮秒、飞秒激光的时间分辨超快光谱分析技术。但在某些情况下，这些以激光为激发源的测量技术由于光波的衍射效应，会在低维纳米结构的能量载流子动力学的测量应用中受到很大限制，如半导体异质结、缺陷、量子阱、量子点以及金属纳米超结构材料等，只能给出大量纳米结构集合体的平均动力学信息。基于以上情况，以电子探针为激发源的阴极荧光技术在这些方面发挥着难以替代的作用。相对于以激光为激发源的探测技术而言，高能电子探针具有以下两点显著优势：一是不会受到激发波长的限制，用于激发样品荧光信号的电子束的能量很高，可以轻易对各种宽禁带半导体材料进行激发，例如氮化硼、氮化铝、氧化锌等宽禁带半导体材料；二是具有极高的空间分辨率，激光受到衍射极限的限制，光斑尺寸大多只能汇聚到微米量级，测得的都是大面积范围的平均动力学信息，而电子探针经过电磁透镜的聚焦后可达到亚纳米尺度的空间分辨率，实现对纳米尺度材料的探测。

3、连续的电子束可通过扫描电镜或者透射电镜的灯丝发射获得，但是要想实现皮秒乃至飞秒时间尺度的脉冲电子束却极为困难，这也就限制了阴极荧光在激发态载流子动力学研究中的应用。为了解决这一问题，基于脉冲电子的超快阴极荧光技术应运而生。早期的超快阴极荧光技术是通过在传统的扫描电镜中加一个高频偏转电场来获得脉冲电子，然而受偏转电场频率的限制，该方法只能实现纳秒量级时间分辨的阴极荧光测量。具有皮秒时间分辨的超快阴极荧光是从2005年开始发展起来的一种具有超高时空分辨率的载流子发光动力学探测技术，该技术用作激发源的脉冲电子束由飞秒脉冲激光激发扫描电镜电子枪的光阴极产生，经过加速和电磁透镜会聚后用来激发试样的能量载流子产生瞬态阴极荧光，再利用条纹照相机或时间相关单光子计数技术等探测瞬态荧光随时间变化的关系。由于高能电子的波长很短，可以汇聚到很小，因而超快阴极荧光技术可以获得很高的空间分辨率，成为在高时空分辨尺度研究半导体纳米材料能量载流子动力学的有力手段。

4、传统超快阴极荧光技术中具有模块化功能较少、集成度较低的缺陷，而且目前国际上主流的时间分辨阴极荧光系统所采用的超快光阴极大多是在石英玻璃表明蒸镀一层几十纳米厚金膜的平面光阴极，紫外飞秒激光从背面透过石英玻璃聚焦在光阴极几微米的区域激发产生超快光电子脉冲。由于激光的衍射效应，飞秒激光聚焦在光阴极的区域被限制在微米量级，产生的光电子脉冲的相干性以及时间分辨率都严重受到影响，很大程度上限制了超快阴极荧光的时空分辨率和性能。

技术实现思路

1、为了克服以上技术问题，本发明目的是提供一种多功能超快阴极荧光探测系统及其应用方法，弥补传统超快阴极荧光探测技术中模块化功能较少、集成度较低的缺陷。进一步的，在一些优选实施例中，该探测系统使用可实现肖特基场发射的钨灯丝作为超快光阴极，不仅可以获得高清晰的扫描电镜图像和稳定的发射束流，并且能够有效的提升信噪比，使得空间分辨率与时间分辨率得到大幅提升。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、一种多功能超快阴极荧光系统，该系统包括：

4、高重频飞秒激光系统(1)，包括用于产生高重频的近红外飞秒激光的飞秒激光器(1-1)、二次倍频装置(1-2)和四次倍频装置(1-3)，通过所述飞秒激光器(1-1)产生近红外飞秒激光，近红外飞秒激光经过二次倍频装置(1-2)后产生绿光，再经过四次倍频装置(1-3)产生紫外飞秒激光；

5、场发射扫描电镜系统(2)，用于将所述高重频飞秒激光系统(1)产生的紫外飞秒激光经过场发射电子枪(2-2)的光阴极产生电子束，所述电子束包括连续电子束和脉冲电子束，连续电子束用于获得样品在稳态情况下的荧光性质，脉冲电子束用于获得样品时间分辨的载流子动力学信息以及荧光寿命信息；连续电子束经加速和聚焦后激发样品产生稳态的阴极荧光；脉冲电子束由脉冲光电子构成，脉冲光电子经加速和聚焦后激发样品产生瞬态阴极荧光，所述脉冲电子束通过所述场发射电子枪(2-2)的光阴极为肖特基场发射的钨灯丝发射；

6、阴极荧光收集系统(3)，用于收集样品产生的阴极荧光的荧光信号；

7、阴极荧光分析系统(4)，包括可选择滤光的滤光偏振装置(41)，用于对所述阴极荧光收集系统(3)收集的荧光信号进行选择性滤光和偏振分析；还包括第一分光装置(42)、第一探测系统(43)和第二探测系统(44)；其中，所述第一探测系统(43)用于对荧光信号的强度探测或角分辨光谱探测；所述第二探测系统(44)用于对荧光信号进行静态阴极荧光的全光谱信息探测或进行超快时间分辨信息探测；所述第一分光装置(42)，用于对荧光信号进行选择性引导，荧光信号选择性进入所述第一探测系统(43)或所述第二探测系统(44)；

8、所述第二探测系统(44)与所述高重频飞秒激光系统(1)电连接，并通过重频电信号进行同步激发和同步探测；

9、空间光路系统，用于引导光信号在高重频飞秒激光系统(1)、场发射扫描电镜系统(2)、阴极荧光收集系统(3)和阴极荧光分析系统(4)之间转换选择传递。

10、进一步，所述场发射扫描电镜系统(2)包括均设于密闭腔体内的第一光学窗口(2-1)、场发射电子枪(2-2)、电磁透镜(2-3)、抛物面反射镜(2-5)、低温样品台(2-4)和第二光学窗口(2-6)，第一光学窗口(2-1)设于密闭腔体一侧壁且正对场发射电子枪(2-2)的光阴极尖端的位置，用于让所述高重频飞秒激光系统(1)产生的紫外飞秒激光透过所述第一光学窗口(2-1)汇聚至场发射电子枪(2-2)的光阴极尖端；所述场发射电子枪(2-2)将接收到的紫外飞秒激光通过场发射电子枪(2-2)的光阴极激发具有一定强度的连续电子束或脉冲电子束，并经过所述电磁透镜(2-3)的进一步聚焦；所述抛物面反射镜(2-5)上设有让所述连续电子束或脉冲电子束通过的通孔，所述低温样品台(2-4)用以放置待测样品并使样品可三维移动至所述抛物面反射镜(2-5)的焦点处，连续电子束或脉冲电子束激发样品生成阴极荧光；所述抛物面反射镜(2-5)的抛物面反射面将样品激发产生的阴极荧光反射为平行的阴极荧光，所述平行的阴极荧光通过设于低温样品台(2-4)旁所述密闭腔体一侧壁上的第二光学窗口(2-6)传递至所述阴极荧光收集系统(3)。

11、进一步，所述第一光学窗口(2-1)设有在可见光到紫外波段均具有高透过率的铅化玻璃。

12、进一步，所述低温样品台(2-4)的温度控制范围10～300k。

13、进一步，所述第一探测系统(43)包括第二分光装置(43-1)、光电倍增管(43-2)和角分辨荧光探测相机(43-3)，所述第二分光装置(43-1)用于对接收的荧光信号进行选择性引导，引导荧光信号选择进入所述光电倍增管(43-2)或所述角分辨荧光探测相机(43-3)。

14、进一步，所述第二探测系统(44)，包括光谱仪(44-1)、第三分光装置(44-2)、静态阴极荧光探测装置(44-3)和时间分辨探测装置(44-4)，所述光谱仪(44-1)通过光栅将复色的荧光信号分成光谱线；所述第三分光装置(44-2)用于对所述光谱信号进行选择性引导，所述光谱信号选择性进入静态阴极荧光探测装置(44-3)或时间分辨探测装置(44-4)。

15、进一步，所述静态阴极荧光探测装置(44-3)为光谱探测相机；所述时间分辨探测装置(44-4)包括条纹照相机或时间相关单光子探测器。

16、进一步，包括三个气浮装置，分别为第一光学平台(5)、扫描电镜气浮平台(6)和第二光学平台(7)，所述第一光学平台(5)用以承载高重频飞秒激光系统(1)并减震；所述扫描电镜气浮平台(6)用以承载所述场发射扫描电镜系统(2)并减震；所述第二光学平台(7)用以承载所述阴极荧光收集系统(3)和阴极荧光分析系统(4)并减震，所述第一光学平台(5)和第二光学平台(7)分别与扫描电镜气浮平台(6)进行硬连接，达到同步气浮连接。

17、进一步，所述场发射扫描电镜系统(2)的光阴极为肖特基场发射的钨灯丝，其表面涂有氧化锆。

18、该多功能超快阴极荧光系统的应用方法，其包括以下步骤：

19、第一步，将待测样品置于场发射扫描电镜系统(1)，调整焦距对准待测样品，调整所述场发射扫描电镜系统(2)的所述场发射电子枪(2-2)发射模式为连续电子束模式或脉冲电子束模式；

20、第二步，开启所述高重频飞秒激光系统(1)，所述高重频飞秒激光系统(1)输出紫外飞秒激光经过空间光路系统引导，从场发射电子枪(2-2)侧面汇聚到场发射光阴极尖端，从而激发产生超快光电子束，超快光电子束激发样品产生阴极荧光，通过所述阴极荧光收集系统(3)收集荧光信号，随后荧光信号进入所述阴极荧光分析系统(4)；

21、第三步，通过滤光偏振装置(41)对荧光信号进行选择性滤光和偏振分析；接着荧光信号进入所述第一分光装置(42)，荧光信号选择性进入所述第一探测系统(43)或所述第二探测系统(44)；所述第一探测系统(43)选择性进行荧光强度探测或角分辨光谱探测；所述第二探测系统(44)选择性进行静态阴极荧光的全光谱探测或超快时间分辨探测；

22、通过以上步骤，在连续电子束模式下，获得样品在稳态情况下的荧光性质；在脉冲电子束模式下，获得样品时间分辨的载流子动力学信息以及荧光寿命信息。

23、相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

24、(1)本发明提供的多功能超快阴极荧光系统中融入了多个功能化模块，可根据样品的特性对其荧光信号进行全面的分析，实现了阴极荧光的偏振分析、强度探测、角分辨光谱探测、全光谱信息探测或超快时间分辨信息探测，其中利用时间分辨探测装置获取超快荧光光谱给出载流子的发光动力学信息。

25、在具体应用中，本阴极荧光系统是研究半导体纳米材料载流子超快动力学特性的分析工具，具有超高时空分辨率，可达到纳米量级的空间分辨率和皮秒量级的时间分辨率，可利用偏振、角分辨、滤波等功能模块获取样品中丰富的光学特性信息，也可以在时间分辨模式下对半导体纳米材料中激子、电子-空穴对复合发光的动力学特性和其中的杂质、缺陷、结构等对载流子动力学特性的影响。其具有多功能、全方位、高时空分辨的特点，弥补了传统超快阴极荧光技术中模块化功能较少、集成度较低的缺陷。

26、(2)本发明提供的多功能超快阴极荧光系统及其应用方法，其中的场发射电子枪的光阴极使用了肖特基场发射的钨灯丝作为超快光阴极，提升了电子脉冲的时空相干性，可以获得高清晰的扫描电镜图像和稳定的发射束流，并且能够有效的提升信噪比，使得空间分辨率与时间分辨率得到大幅提升。

27、(3)本发明提供的多功能超快阴极荧光系统及其应用方法，通过对三个气浮装置的硬性连接，提高了多功能超快阴极荧光系统整体的稳定性与时空分辨率。

28、(4)本发明提供的多功能超快阴极荧光系统及其应用方法，各个功能模块之间通过空间光路系统进行选择引导光路传播，耦合顺畅，切换便捷，可方便的对纳米尺度半导体材料进行多维度探测，满足人们对于半导体纳米线、量子点、纳米片等新兴材料的高时空分辨载流子发光动力学研究。