基于二维振镜的激光直写与光电流成像系统研究

摘要

以一维纳米线和二维纳米片为代表的微纳半导体材料以其独特的光电特性成为光电子材料研究的重要方向。其中基于单根纳米线和单个纳米片的原型电子器件制作及其光电响应特性研究成为研究的热点。在器件制作方面，电子束曝光因其较高的线宽精度，被广泛应用于微器件的加工，相对于电子束直写技术，激光直写具有低成本、环境要求低等优势；在器件光响应特性方面，位置相关的光电流成像技术为研究分析微纳光电子器件中的光生载流子传输、分离与复合过程、从而为进一步优化器件结构，提高器件光电转换效率提供了一种性能测试方法。 上述两种方面均可通过光束移动或位移台移动实现，本论文主要以面向实验室微纳器件制备与光电流位置成像测试需要，设计并搭建了一套基于二维振镜的微区激光直写与光电流扫描成像系统。该系统相对与传统位移台方式的光电流扫描成像系统有更快的扫描速度。首先利用Myrio-1900设备的可编程重配I/O功能进行LabVIEW编程完成对手柄控制，并实现自动化移动观察待测样品。接着，通过LabVIEW程序控制二维振镜进行激光偏转，使光束在光刻胶表面的扫描，在优化曝光参数的基础上，在NA值为0.5的50倍物镜以及样品台保持静止下，实现刻写范围±30μm的激光直写，刻写一个50μm×50μm的方形耗时约为10s。接着，利用标准硅光探测器对系统的光电流扫描成像进行验证。通过光束在标准光电探测器光敏区域的扫描，再使用数字源表测量电流数据，同步实时记录光电流，实现了逐点显示出扫描光电流成像功能。针对实验室制备的石墨烯/二硫化钨/硅(Gr/WS2/Si)异质结光电器件进行测试，在器件响应时间ms下，实现在240s内一帧具有10000个光电流数据的快速成像。为进一步优化系统，使光电流成像图像和待测器件形貌图匹配度更高，在系统中添加待测样品的反射光收集模块。同时为减小噪音对成像的影响，将电流放大器和锁相放大器联用，获得了微弱光电流的高性噪比成像。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 激光直写技术简介

1.2.2 光电流成像简介

1.3 研究意义

1.4 论文主要工作与结构安排

第二章 激光直写与光电流成像的基本原理

2.1 激光直写的基本原理

2.2 光电流成像系统的基本原理

2.3 扫描与运动控制的原理

2.3.1 光偏转器的介绍

2.3.2 二维振镜扫描技术

2.4 微弱信号检测原理

2.4 本章小结

第三章 基于二维振镜的激光直写与光电流成像系统设计和搭建

3.1 基于二维振镜的激光直写与光电流成像系统设计

3.2.1 系统的光路设计

3.2.2 系统的硬件设计

3.2 基于LabVIEW的软件设计

3.3.1 样品台移动部分

3.3.2 振镜扫描部分

3.3.3 数据采集部分

3.3 本章小结

第四章 激光直写的实验和分析

4.1 激光直写流程

4.2 直写试验与分析

4.2.1 激光光束质量分析

4.2.2 直写参数试验

4.3 本章小结

第五章 光电流成像的测试和优化

5.1 测试数据结果与验证

5.1.1 标准探测器的测试验证

5.1.2 基于Gr/WS2/Si备异质结光电探测器测试结果

5.2 系统的模块优化

5.2.1 反射信号采集

5.2.2 锁相放大器测试结果

5.2.3 电流前置放大器与锁相放大器联用测试结果

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果