一种量子点表面空穴俘获动力学的探测装置及其探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光应用技术领域，尤其涉及量子点表面空穴俘获动力学的探测装置及其探测方法。
【背景技术】
[0002]量子点表面俘获带电载流子的速度影响材料的光电特性，引起了人们广泛的研宄兴趣。相比于体材料，量子点的尺寸效应导致表面原子效应增强，电子或空穴很容易被未饱和键俘获。表面俘获载流子效应会导致器件性能降低，成为量子点材料在实际应用中的主要限制因素。研宄者们已经致力于积极探索表面载流子俘获的各种动力学过程，并深入了解其机制，如:载流子弛豫和复合动力学、光致发光的量子产生机制、光致发光漂白效应、光增益效应、电荷传输效率以及载流子操控等。与表面载流子俘获相关的许多基本问题，尤其是其超快动力学过程仍需进一步深入研宄。
[0003]载流子俘获的过程非常快，所需时间短至皮秒量级甚至更快，通常是利用时间分辨荧光光谱技术和吸收光谱技术测量载流子的退布居过程间接获得。这两种光谱技术是基于传统的两光束泵浦-探测技术，即一束泵浦光作用于量子点产生光生载流子，而探测光探测载流子退布居的动力学过程，这其中就包括电子或空穴被量子点表面俘获的过程。由于空穴俘获、电子空穴的辐射和俄歇非辐射复合过程都会影响带边激发态的退布居动力学过程，因此时间分辨荧光光谱技术和吸收光谱技术测得的每一个弛豫时间常数是包含了所有空穴俘获、辐射和非辐射过程的平均寿命。即便在弱激发光条件下，忽略了多载流子俄歇非辐射过程，想要精确描述电子或空穴俘获过程仍是十分困难的。现有的探测技术主要有时间分辨荧光光谱技术和吸收光谱技术，其探测装置用一束线偏振泵浦光作用于量子点产生光生载流子，而线偏振探测光脉冲利用光电倍增管进行采集，用通过探测载流子退布居的动力学过程，间接地反映量子点表面空穴俘获的动力学过程，并非对于量子点表面空穴俘获的动力学过程的直接探测。
[0004]为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了量子点表面空穴俘获动力学的探测装置及其探测方法。本发明无需利用弱光激发，完全排除载流子辐射和俄歇非辐射复合过程对表面空穴俘获的影响，通过监测电子自旋信号幅度的瞬时变化可直接反映量子点表面空穴俘获的瞬态动力学特性。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种量子点表面空穴俘获动力学的探测装置，其特征在于，包括:
[0006]超短脉冲激光器，其产生的激光脉冲经过光参量放大器变频获得第一泵浦光脉冲、第二泵浦光脉冲和探测光脉冲；
[0007]所述第一泵浦光脉冲倾斜地入射到所述实验样品的表面；所述第一泵浦光脉冲为线偏振光，用于在量子点中产生电子-空穴对；
[0008]所述第二泵浦光脉冲倾斜地入射到所述实验样品的表面；所述第二泵浦光脉冲为圆偏振光，用于将核内驻留电子自旋极化；
[0009]电磁铁，其设置在所述实验样品的两侧，用于提供匀强磁场使自旋极化电子绕所述磁场进动，形成周期性振荡的法拉第旋转信号；
[0010]所述探测光脉冲垂直地入射到所述实验样品的表面并透射；所述探测光脉冲为线偏振光，经过所述实验样品透射的探测光脉冲的偏振面的旋转角度发生变化，所述变化是由所述法拉第旋转信号的幅度改变所形成的，所述幅度改变直接反映量子点表面空穴俘获的瞬态动力学信息；所述第一泵浦光脉冲、所述第二泵浦光脉冲和所述探测光脉冲相交于所述实验样品表面的同一点，所述第一泵浦光脉冲和所述第二泵浦光脉冲分别经过精密可控延迟线装置调节延迟时间；
[0011]半波片，其设置于所述探测光脉冲的透射光路上；
[0012]偏振分束器，其设置在所述半波片的后方，所述探测光脉冲经所述偏振分束器分成偏振方向互相垂直的两束探测光脉冲；
[0013]差分式平衡探测器，其设置在两束探测光脉冲的光路上，用于分别接收两束探测光脉冲并生成差分信号；及
[0014]锁相放大器，其通过数据线与所述差分式平衡探测器连接，用于接收并放大差分信号以高灵敏度地探测量子点表面空穴俘获的瞬态动力学过程。
[0015]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测装置中，所述第一泵浦光脉冲相对于所述实验样品表面法线的倾斜角度为10-15度，所述第二泵浦光脉冲相对于所述实验样品表面法线的倾斜角度为10-15度。
[0016]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测装置中，所述半波片设置有高精密微细旋转调节机构。
[0017]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测装置中，所述第一泵浦光脉冲的功率密度为mW/cm2至W/cm 2量级可调。
[0018]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测装置中，所述第二泵浦光脉冲的功率密度为W/cm2量级，为所述探测光脉冲的功率密度的10倍以上。
[0019]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测装置中，所述实验样品的后方进一步设置有挡板，所述挡板设置在所述第一泵浦光脉冲和所述第二泵浦光脉冲的透射光路上，用于遮挡从所述实验样品透射的所述第一泵浦光脉冲和所述第二泵浦光脉冲，减少所述第一泵浦光脉冲和所述第二泵浦光脉冲的杂散光对差分式平衡探测器的探测影响。
[0020]本发明还提出了一种量子点表面空穴俘获动力学的探测方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0021]步骤一:将第一泵浦光脉冲和第二泵浦光脉冲倾斜地入射到实验样品的表面，探测光脉冲垂直地入射到实验样品的表面，相交于同一点；
[0022]步骤二:开启电磁铁，在实验样品上施加与所述探测光脉冲方向垂直的横向匀强磁场；
[0023]步骤三:利用遮光片遮挡第一泵浦光脉冲，调节所述第二泵浦光脉冲与所述探测光脉冲之间的延迟时间，记录驻留电子自旋周期振荡信号，之后去除遮光片；
[0024]步骤四:将所述第二泵浦光脉冲与所述探测光脉冲之间的延迟时间固定在自旋周期振荡信号的第一个振荡峰所对应的延迟时刻；调节所述第一泵浦光脉冲与第二泵浦光脉冲之间的延迟时间，记录驻留电子自旋信号幅度的变化，通过监测电子自旋信号幅度的瞬时变化获得量子点表面空穴俘获的瞬态动力学过程信息。
[0025]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测方法中，所述步骤二之前进一步包括对所述差分式平衡探测器进行校准，包括如下步骤:
[0026]步骤a:遮挡所述第一泵浦光脉冲和所述第二泵浦光脉冲，所述探测光脉冲透射所述实验样品；
[0027]步骤b:所述探测光脉冲依次通过半波片和偏振分束器，在所述偏振分束器内分成偏振方向互相垂直的两束探测光脉冲；
[0028]步骤c:两束探测光脉冲被差分式平衡探测器接收并生成差分信号，通过调节所述半波片的高精密微细旋转调节机构使所述差分信号归零。
[0029]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测方法中，所述第一泵浦光脉冲的功率密度为mW/cm2至W/cm 2量级可调。
[0030]本发明提出的所述量子点表面空穴俘获动力学的探测方法中，所述第二泵浦光脉冲的功率密度为W/cm2量级，为所述探测光脉冲的功率密度的10倍以上。
[0031]本发明相比于现在常用的时间分辨荧光光谱和吸收光谱这些间接测量技术具有以下优点:无需弱光激发条件就可以完全排除载流子辐射和俄歇非辐射复合过程的影响；平衡探测器很好地消除激光本身不稳定而导致的强度噪声，可以更加灵敏、精确地直接获取表面空穴俘获的瞬态动力学过程信息。
【附图说明】
[0032]图1是本发明量子点表面空穴俘获动力学的探测装置的结构示意图。
[0033]图2是本发明探测方法在CdS胶体量子点中所探测到的表面空穴俘获过程的结果图。
[0034]其中，1-第一泵浦光脉冲；2_第二泵浦光脉冲；3_探测光脉冲；4_实验样品；5_电磁铁；6-挡板；7_第一高反镜；8_半波片；9_偏振分束器；10-第二高反镜，11-第三高反镜；12_差分式平衡探测器；13_锁相放大器。
【具体实施方式】<