一种新型薄膜量子产率测试装置及其量子产率测试方法

本发明涉及显示，具体涉及一种新型薄膜量子产率测试装置及其量子产率测试方法。

背景技术：

1、惯性传感器电荷管理系统主要是利用惯性传感器内表面的金在紫外光照射下产生光电子，控制光电子背离或被入射检验质量，从而实现检验质量电荷控制，是卫星平台无拖曳控制的重要组成部分之一，它为航天器保持在惯性轨道提供了必要的数据，同时检验质量地线测量是引力波探测的重要条件之一。在空间引力波探测中，卫星搭载的惯性传感器主载荷为一到两个镀 au 金属块状物体（检验质量）。惯性传感器的参考基准要求轨迹沿着测地线做无拖曳运动，并且要求检验质量受到的噪声低于探测指标。由于检验质量受到深空中高能宇宙射线所引起的电离辐射，会在表面积累大量的电荷，使得检验质量受到电磁力的干扰，从而掩盖引力波探测的信号，这是空间引力波探测的一个主要噪声源。

2、惯性传感器镀金材料表面的量子产率可通过表面光电发射的方法直接测量，该方法的技术基于光电效应，是用于探究样品表面信息的有效、简便的表征手段。光电效应指的是光束照射金属材料，使其发射出电子的物理效应。发射出的电子称为 “光电子”。要发射光电子，电子必须获得足够大的能量克服金属材料的束缚（功函数/逸出功）。金属中电子吸收一个光子获得的能量是，这些能量一部分用于克服金属的逸出功（功函数），另一部分表现为逸出光电子的最大初动能kmax=mv2。光电效应是改变惯性传感器中电荷状态的基本方法。为了激发光电子，传感器的探测表面必须被频率足够高的光照亮。由于光电效应的存在，当位于特定频率的电磁波照射下，惯性传感器材料表面的在电子吸收能量后逸出成为光电子，形成光电流。通过该方法测试惯性传感器材料表面产生的光电流，可以在得到表面功函数的同时也获得量子产率值，是原位探究样品表面量子产率的一种有效表征手段。这种测量样品表面量子产率的装置十分少见，应用却十分广泛。

3、因此作为研究人员，我们期待设计出一种可高效、准确测量样品表面量子产率和表面功函数的装置，并应用于惯性传感器中。

4、本发明用于测量惯性传感器镀金表面的量子产率，其原理基于光电效应基础，可以实现超高真空环境下光电流的精密测量。因此能够很好地满足科研、生产中测量量子产率的需求，具有很强的实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明用于测量薄膜表面的量子产率。该装置以光电效应为基础，通过调节入射光波长、功率、散射角、入射角度以及外加偏置电压大小，实现样品表面量子产率和表面功函数的精确测量。基于此，我们设计了一种基于光电效应的测量薄膜样品表面量子产率的装置。该装置以光电效应为基础，在超高真空的环境下，发射紫外光照射样品表面，利用光学积分球收集光电子并转化为电信号输出，使用静电计实现高分辨率电信号的采集和处理，并通过积分球和静电计之间的源表施加偏置电压来调控光电流的大小，最后由光电流降低到零时所需的正偏压得到样品表面的功函数，根据外加偏置电压作用下的饱和光电流以及标定的表面紫外光强度得到样品的量子产率。在整个检验质量以及所有电极和外壳的表面都镀上一层金，用紫外光照亮内部外壳的镀金表面以向检验质量添加负电荷，或者照亮检验质量质本身的镀金表面以去除负电荷。通过这种非接触的方法实现电荷管理，以不干扰检验质量的自由落体纯度。

2、本发明主要解决惯性传感器镀金表面量子产率的精准测量问题，并可以通过改变入射光的光学特性（散射角、功率、入射角），探究入射光的光学特性对量子产率造成的影响。

3、本发明的目的在于提供一种新型薄膜量子产率测试装置，包括：真空室，所述真空室内设置有：光学积分球、源表和静电计；

4、所述光学积分球第一侧壁外部通过积分球支架固定于所述真空室内，所述光学积分球第二侧壁设置有led光源轨道，所述led光源轨道上设置有micro-led光源，所述micro-led光源与所述led光源轨道为可滑动式连接；

5、所述光学积分球第三侧壁内部设置有样品支架，所述样品支架包括连接部和样品放置部，所述连接部与所述光学积分球第三侧壁内部连接；

6、所述样品放置部上载有样品，所述静电计设置于所述光学积分球外部，并与所述样品电性连接；所述源表设置于所述光学积分球外部，电性连接与所述静电计和所述光学积分球之间。

7、进一步，本发明所述led光源轨道长度为8~16cm，所述led光源的入射角范围为-45°~45°。所述led光源轨道可用来调整led光源的位置，可通过改变led光源的位置改变入射角，进而改变有效照射面积，探究入射光的有效照射面积对样品表面量子产率和表面功函数的影响。入射角低于下限值时，照射在样品表面的有效面积过小，导致发射出的光电子数目过少，积分球输出的电信号量级过小，超出静电计识别范围，无法实现量子产率的有效探测；入射角高于上限时，照射在样品表面的有效面积过大，导致发射出的光电子数目过多，积分球输出的电信号量级过大，大于静电计测量范围，有可能造成仪器的损坏，无法实现量子产率的有效探测。

8、进一步，本发明所述led光源的波长调节范围为250nm～275nm；所述led光源的发散角调节范围为45°～ 135°。 当发散角较大时，光线的散开程度较大，导致光束的强度较低，无法激发出足够数目的光电子，积分球输出的电信号量级过小，超出静电计识别范围，无法实现量子产率的有效探测；当发散角较小时，光线的散开程度较小，导致光束的强度较大，导致发射出的光电子数目过多，积分球输出的电信号量级过大，大于静电计测量范围，可能造成仪器的损坏，无法实现量子产率的有效探测。

9、进一步，本发明所述真空室的真空压强≥10-5pa，所述源表施加偏置电压，所述采用电池供电。采用电池供电，能够有效避免交流噪音，结合积分球可实现光电子的超灵敏探测，完全满足精确量子产率的电流分辨率要求。要实现量子产率的精准测量，电流分辨率应当优于0.01 fa (0.01 x 10-15 a)。

10、进一步，本发明所述源表的测试范围为-10v~10 v，分辨率100 nv~200nv。测试过程中，通过改变偏置电压的大小来控制光电流的大小，进而得到样品表面功函数和样品表面量子产率。偏置电压低于下限值时，光电流过少，积分球输出的电信号量级过小，超出静电计识别范围，无法实现量子产率的有效探测；偏置电压高于上限值时，光电流过大，积分球输出的电信号量级过大，大于静电计测量范围，有可能造成仪器的损坏，无法实现量子产率的有效探测。

11、进一步，本发明中所述样品支架的材料为聚醚醚酮，所述样品支架的电阻≥109mω。聚醚醚酮材料电阻率较高，可有效防止样品支架本身对测试结果的影响。

12、进一步，本发明中所述光学积分球的直径为5~15英寸。所述光学积分球用来收集阳极发射出的光电子。

13、本发明还提供了一种新型薄膜量子产率测试方法，包括：

14、（1）将待测试样品置于上述所述的新型薄膜量子产率测试装置的所述样品支架的样品放置部；

15、（2）检查所述光学积分球腔体内的洁净程度和真空度；

16、（3）打开所述led光源，设置光学参数；

17、（4）设置电压参数：调节所述源表的偏置电压的大小调控光电流的大小；

18、（5）计算样品的功函数和量子产率。

19、进一步，本发明的量子产率测试方法中，所述设置光源参数包括：调整所述led光源的频率、发散角、入射角、功率，以及调整所述led光源的轨道。

20、具体包括如下内容：

21、ⅰ.调整所述led光源的频率达到光电效应的极限频率，受到照射的样品表面逸出光电子，形成光电流；

22、ⅱ.调整所述led光源的发散角，探究入射光功率和散射角对样品表面量子产率和功函数的影响，探索最佳发散角；

23、ⅲ.调整所述led光源轨道，改变所述led光源的入射角，探究入射光的有效照射面积对样品表面量子产率和表面功函数的影响，探索最佳入射角；

24、ⅳ.调整所述led光源的功率，探究入射光功率对整体量子产率的影响，探索最佳功率。

25、进一步，本发明的量子产率测试方法中，所述设置电压参数，包括：当入射光一定时，可以改变外加偏置电压的大小来调控光电流的大小，这一过程可探究不同外加偏置电压作用下的量子产率变化。同时观察静电计示数，并读取数据以便后续计算量子产率；通过改变偏置电压的大小来控制光电流的大小，进而推算样品表面功函数和样品表面量子产率。

26、所述计算样品的功函数和量子产率，包括：

27、功函数=入射光子能量－光电子的最大初动能

28、光电流减小为零时所需要的正偏置大小对应着光电子的最大初动能；

29、量子产率：根据外加偏置电压作用下的饱和光电流以及标定的表面紫外光强度即可得到量子产率。

30、量子产率是指在光化学反应中，光子能量被吸收后，产生化学反应的概率。它是一个重要的物理量，可以用来评估光化学反应的效率和速率。

31、所述量子产率计算式如下：

32、

33、其中，η为量子产率，jph为饱和光电流（单位ma），p为标定的表面紫外光强度（单位mw /cm2），λ为光源的波长，h是普朗克常数，c是光速，e是电子电量，a为常数，a=1(单位为j·cm/v）。

34、量子产率还可以用如下计算公式得到：

35、ф = (np -np') / np

36、其中，ф表示量子产率，np 表示吸收光子数，np'表示未被吸收的光子数。这个公式的意义是，量子产率等于吸收光子数与未被吸收光子数之差与吸收光子数之比。

37、量子产率的计算需要知道吸收光子数和未被吸收的光子数。光子数可以通过光强度和反应体积计算得到。未被吸收的光子数可以通过测量反应前后的光强度来计算。

38、在实际应用中，通常会使用比色法、荧光法或放射性同位素法等方法来测量光强度和反应速率，从而计算出量子产率。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

40、本发明所述的新型薄膜量子产率测试装置，实现超高真空环境下光电流的精密测量，能够很好地满足薄膜表面量子产率精准测量的需求，具有很强的实际应用价值。

41、（1）测试环境真空压强≥10-5pa，可有效避免环境污染对测量结果的影响，实现量子产率的精准测量，本发明所述方法的测量误差小于±2%；

42、（2）样品支架材料采用高电阻率材料聚醚醚酮，电阻可达109mω以上，能够有效防止样品支架本身对测试结果的影响；当电阻量级小于mω时，样品支架可能存在漏电现象，导致静电计读数不准确，影响量子产率的精确探测；

43、（3）静电计采用电池供电，有效避免交流噪音，结合积分球可实现光电子的超灵敏探测；

44、（4）led光源轨道可用来调整led光源的位置，可通过改变led光源的位置改变入射角，进而改变有效照射面积，探究入射光的有效照射面积对样品表面量子产率和表面功函数的影响；

45、（5）光源采用led光源，其功率和散射角可调，可探究入射光功率和散射角对样品表面功函数和量子产率的影响。

46、（6）源表在测试过程中，通过改变偏置电压的大小来控制光电流的大小，进而得到样品表面功函数和样品表面量子产率。