CN112284510B - 一种多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法 - Google Patents

一种多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光泵浦探测，实现多层二维半导体薄膜中相干声学声子回波的全光诱导与探测方法。首先在衬底上生长或转移多层二维半导体薄膜，根据其光学吸收光谱确定泵浦与探测激光波长；然后测量光生载流子带间弛豫的时间分辨瞬态吸收信号作为时间参考节点；进一步，通过提高泵浦激光功率和测量信噪比，观测光生载流子瞬态吸收信号中涌现出的周期性相干声学声子回波信号，并利用曲线拟合方法实现相干声学声子回波信号的提取。本发明是基于超快光谱学手段在多层二维半导体中诱导并测量相干声学声子回波，无需声学换能器等电学器件，可获得GHz频率相干声学声子波包的完整波形信息。

Description

一种多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光泵浦探测技术，尤其涉及一种多层二维半导体中相干声学声子回波的全光诱导与探测方法。
背景技术
具有间接带隙的多层二维半导体薄膜，例如二硫化钼，具备良好的稳定性和光电、机械性能，是一种独特的光声耦合体系，具有发展新型光控声子信息器件的巨大潜力，近年来已开始引起科学家的关注。在与脉冲激光相互作用时，由于光声效应，可以辐射高频超声行波。该高频超声行波，本质上是由晶格取向共振诱导并定向传输的相干声学声子波包，频率达GHz量级，远高于传统基于压电效应等超声换能器的频率探测上限(MHz)。传统技术中对相干声学声子波包的相位等信息无法实现直接观测。由于缺乏对多层二维半导体中高频相干声学声子波包的直接观测技术，导致对多层二维半导体中光、声、电、力等复杂瞬态耦合过程的理解极不深入，严重制约了基于多层二维半导体薄膜的光控声子信息器件的发展。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种多层二维半导体中相干声学声子回波的全光诱导与探测方法，达到直接观测相干声学声子波包在薄膜表面多重反射过程的目标。
技术方案：本发明的一种多层二维半导体中相干声学声子回波的全光诱导与探测方法包括如下步骤：(1)在衬底上生长或转移多层二维半导体样品；(2)测量样品的光学吸收光谱，根据其激子共振峰位，选择泵浦和探测激光波长；(3)将泵浦探测脉冲垂直入射并经显微物镜聚焦到多层二维半导体的表面，通过透镜控制泵浦探测激光光斑的空间准直特性优化光生载流子瞬态吸收的时间分辨信号；(4)提高泵浦激光功率，诱导相干声学声子波包，观测相干声学声子回波信号的涌现；(5)采用平衡探测，提高探测激光微分反射信号的信噪比，测量相干声学声子回波信号；(6)采用双指数衰减函数，拟合所测的瞬态吸收时间分辨信号，用原始信号减去拟合信号，提取相干声学声子回波信号。
步骤(1)中二维半导体样品由化学气相沉积或机械剥离法制备，所述衬底为透明材料制成。
步骤(2)中所述泵浦激光的光子能量为至少1eV，探测激光的光子能量等于所测激子共振峰对应的光子能量。
步骤(3)中的泵浦探测脉冲采用微区飞秒激光泵浦探测***，探测激光采用发射式光路；通过光学延迟线控制泵浦与探测脉冲的时间延迟扫描，通过显微物镜进行泵浦与探测激光光斑的垂直入射和空间聚焦。泵浦激光功率小于多层二维半导体的损伤阈值，且探测激光功率小于泵浦激光功率。步骤(5)中平衡探测采用锁向放大技术。曲线拟合步骤中采用双指数衰减函数进行函数拟合。
本发明将一束泵浦飞秒激光和一束探测飞秒激光，通过微区显微光学***垂直聚焦到样品的同一点；泵浦激光的光子能量大于多层二维半导体A激子共振能量，且探测激光的光子能量等于多层二维半导体A激子共振能量；探测激光入射到样品后的反射成分被导入平衡探测器的一个探头；采用平衡探测器和锁相放大手段，提高探测激光微分反射信号的信噪比；通过改变泵浦和探测脉冲的时间延迟，测量同时获得光生载流子和相干声学声子回波随时间演化的信号；经曲线拟合，分离获得相干声学声子回波信号
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：可以解决多层二维半导体中GHz频率的相干声学声子波包完整波形信息的全光诱导和直接观测，有助于计算分析多层二维半导体声速等基本物理参数，测量的时间分辨率达150fs，可直接而精准地观测相干声学声子各级回波的波形与时间演化超快过程。
附图说明
图1为本发明多层二维半导体薄膜的光学吸收谱；
图2为多层二维半导体中光生载流子和相干声学声子回波的复合信号图；
图3为本发明实施例中分离出的相干声学声子回波信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例目的是测量多层二硫化钼样品的相干声学声子回波。
选择激光器为重复频率80MHz的钛宝石飞秒激光器(脉宽约100fs)，输出波长为800nm的飞秒激光泵浦探测***；采用数值孔径0.4的显微物镜；采用锁相放大探测提高信噪比；光学斩波器调制泵浦激光，斩波频率约为4kHz；锁相放大器选用SR830。
使用机械剥离在石英衬底上制备一个约200nm厚的多层二维化钼样品，并测量其微区光学吸收谱(如图1所示)。根据光学吸收谱，该样品是间接带隙半导体，1s激子共振峰约处在660nm，因此选择400nm飞秒激光作为泵浦，660nm飞秒激光作为探测。
将泵浦、探测激光合束后聚焦在多层二维化钼样品上表面；同时，显微物镜收集反射的探测激光，并将其聚焦到平衡光电探测器的一个探头上；采用光学分束器将入射到显微物镜之前的部分探测激光分光，经可调光学衰减片后并聚焦到平衡光电探测的另一个探头上。
将泵浦和探测激光功率分别调到10uW和5uW，并使二者光斑在空间上互相重合聚焦在样品的同一位置；将泵浦激光挡住，对探测激光进行光学斩波，通过调节光学衰减片使得SR830电压读数趋于零，实现平衡探测；将泵浦激光引入光路，并对泵浦激光进行光学斩波；通过光学延迟线进行时间扫描，观测获得因光生载流子的注入，导致的探测激光微分反射信号。进一步，通过优化泵浦和探测激光的准直、聚焦等条件，将探测激光微分反射信号调至最强。
在此基础上，保持其他条件不变，将泵浦激光功率增加到100uW，再次进行时间扫描，观测探测激光微分反射信号上涌现出的周期性相干声学声子回波信号，如图2所示。利用双指数衰减函数，拟合测得的复合信号；利用原始信号减去拟合信号即可获得相干声学声子回波信号，如图3所示。

Claims (6)

1.一种多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：(1)在衬底上生长或转移多层二维半导体样品；(2)测量样品的光学吸收光谱，根据其激子共振峰位，选择泵浦和探测激光波长；(3)将泵浦、探测脉冲垂直入射并经显微物镜聚焦到多层二维半导体的表面，优化光生载流子瞬态吸收的时间分辨信号；(4)提高泵浦激光功率，诱导相干声学声子波包，进行时间扫描并观测相干声学声子回波信号的涌现；具体步骤包括分别调整泵浦和探测激光的功率并使二者光斑在空间上互相重合聚焦在样品的同一位置；将泵浦激光挡住，对探测激光进行光学斩波，通过调节光学衰减片使得锁相放大器电压读数趋于零；将泵浦激光引入光路，并对泵浦激光进行光学斩波；通过光学延迟线进行时间扫描，观测获得因光生载流子的注入导致的探测激光微分反射信号；(5)采用锁相放大器进行平衡探测，提高探测激光微分反射信号的信噪比，测量相干声学声子回波信号；(6)采用双指数衰减函数，拟合所测的瞬态吸收时间分辨信号，用原始信号减去拟合信号，提取相干声学声子回波信号。
2.根据权利要求1所述的多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于所述步骤(3)的具体步骤包括：将泵浦、探测激光合束后聚焦在多层二维半导体样品上表面；同时，显微物镜收集反射的探测激光，并将其聚焦到平衡光电探测器的一个探头上；采用光学分束器将入射到显微物镜之前的部分探测激光分光，经可调光学衰减片后并聚焦到平衡光电探测的另一个探头上。
3.根据权利要求1所述的多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于所述步骤(1)中二维半导体样品由化学气相沉积或机械剥离法制备，所述衬底为透明材料制成。
4.根据权利要求1所述的多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于步骤(2)中所述泵浦激光的光子能量至少为1eV，探测激光的光子能量等于所测激子共振峰对应的光子能量。
5.根据权利要求1所述的多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于步骤(3)中采用微区飞秒激光泵浦探测***，探测激光采用发射式光路；通过光学延迟线控制泵浦与探测脉冲的时间延迟扫描，通过显微物镜进行泵浦与探测激光光斑的垂直入射和空间聚焦。
6.根据权利要求1所述的多层二维半导体中相干声学声子回波诱导与探测方法，其特征在于所述泵浦激光功率小于多层二维半导体的损伤阈值，且探测激光功率小于泵浦激光功率。
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