一种磁场调制薄膜光伏效应的方法

技术领域

本发明涉及磁性半导体测试领域，尤其涉及一种磁场调制薄膜光伏效应的方法。

背景技术

一般的半导体参数测量系统用途都不涉及磁学模块，通常情况下，半导体参数测量系统硬件多由磁性金属材料组成，在磁场中，硬件容易偏移既定位置，严重影响数据测量的稳定性，甚至失去既定功能，因而只提供温度、光强等功能附件。例如，目前市面上的半导体参数分析仪的测试平台（包括底座、测臂、探针等）多为磁性合金材料，当实验需要外置磁场时，磁场源（磁体）接近样品的同时也将对仪器磁性合金部分有一个强大的吸引力，从而使测试探针偏离位置被磁体吸附，无法测量数据，也容易将对样品造成严重划伤。近年来随着多铁材料的发展，同时具有磁电耦合效应与反常光伏效应的铁电光伏材料渐渐成为人们的研究热点，对于磁电耦合材料，外加磁场是极其重要的研究因素，因此发明一种磁场调制光伏效应的方法成为多功能材料领域研究的迫切需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁场调制薄膜光伏效应的方法，解决如何在光伏效应测试过程中引入磁场因素而不对测试系统产生因磁场力带来消极影响的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种磁场调制薄膜光伏效应的方法，在半导体参数测量仪中的正、负极引出线之间接入一可提供变磁场的光伏效应测量装置，将光伏电池的顶电极与底电极与该变磁场光伏效应测量装置顶部的两条铜引线连接，测试该光伏电池在无磁场条件下的暗电流曲线与亮电流曲线；改变变磁场光伏效应测量装置内置的磁体高度，测试该光伏电池在不同磁场条件下的暗电流曲线与亮电流曲线，其中，观察到电流曲线发生明显变化，包括I-V特性曲线的斜率/曲率随磁场大小增大而发生明显增大。

测试方法具体包括以下步骤：

利用高斯计与游标卡尺标定磁体产生的所调制磁场在样品台处的大小与方向对应磁体的高度与磁体的方向。

进一步地，将半导体参数测量仪的正负引出线分别与基于可变磁场及自由电极的半导体特性稳定测量系统的两条引出线连接，利用变磁场的光伏效应测量装置自带的长导线使磁体远离金属引出线端，以免磁体产生的高磁场吸引引出端，影响样品测试稳定性，但此时不放入磁体，测量零磁场下薄膜的光、暗I-V特性曲线。

进一步地，将磁体置入衬盘，使其距离样品台的高度最大，依据所标定高度，提升磁体高度，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，其中磁场线性增大至所能提供最大磁场，此时磁体高度达到最高，与样品台距离最小。

进一步地，依据所标定高度，降低磁体高度，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，其中磁场线性减小至0，此时磁体高度达到最低后撤去。

进一步地，将磁体翻转180°，使其提供磁场方向相反，再次将磁体置入衬盘，使其距离样品台的高度最大，依据所标定高度，提升磁体高度，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，其中磁场线性增大至所能提供最大反向磁场，此时磁体高度达到最高，与样品台距离最小。

进一步地，依据所标定高度，降低磁体高度，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，其中磁场再次线性减小至0，此时磁体高度达到最低后撤去。

进一步地，磁场大小在0~Hmax范围内可调，Hmax是磁体在距离磁体1cm处的磁场强度，Hmax的大小通过替换磁体材料或增减磁体个数来调节，且磁体变位器磁场大小在可调范围内的设置磁场强度是连续的。

进一步地，磁体在两条铜导线的远端产生的磁场强度H＜1Oe，分别接入半导体参数分析仪的探针，磁场不影响探针的位置。

本发明采用以上技术方案，采用PLA塑料与铜金属材料等抗磁材料作为测试方法涉及的系统主体，并使磁体远离测试系统探针，使系统在磁力作用上与磁体分离，保证磁体控制与样品性质测量的稳定性，解决了如何在光伏效应测试过程中引入磁场因素而不对测试系统产生因磁场力带来消极影响的问题；另一方面，磁体变位自由度高，可提供大小、角度、方向连续可调的磁场，可支持实验研究自变量的均匀变化。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种磁场调制薄膜光伏效应的流程示意图；

图2为本发明一种磁场调制薄膜光伏效应的方法所使用磁体放置装置的结构示意图；

图3为本发明BFO薄膜材料I-V特性曲线随磁场变化图；

图4为本发明BFO薄膜材料光电流随磁场变化曲线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至图4之一所示，本发明公开了磁场调制薄膜光伏效应的一种测试方法，将半导体参数测量仪的正负引出线分别与基于可变磁场及自由电极的半导体特性稳定测量系统的两条引出线连接，利用变磁场的光伏效应测量装置自带的长导线使磁体远离金属引出线端，以免磁体产生的高磁场吸引引出端，影响样品测试稳定性，但此时不放入磁体，测量零磁场下薄膜的光、暗I-V特性曲线。

在半导体参数测量仪中的正、负极引出线之间接入一可提供变磁场的光伏效应测量装置，将光伏电池的顶电极与底电极与该变磁场光伏效应测量装置顶部的两条铜引线连接，测试该光伏电池在无磁场条件下的暗电流曲线与亮电流曲线；改变变磁场光伏效应测量装置内置的磁体高度，测试该光伏电池在不同磁场条件下的暗电流曲线与亮电流曲线，其中，观察到电流曲线发生明显变化，包括I-V特性曲线的斜率/曲率随磁场大小增大而发生明显增大。

测试方法包括以下步骤：

步骤1，将光伏电池放置在一磁体放置装置的上端面的样品池内，磁体放置装置内可替换放置有磁体，磁体与磁体放置装置的上端面的垂直距离可调，

步骤2，将半导体参数测量仪放置在不受磁体磁场影响的位置，再将光伏电池的顶电极和底电极分别与半导体参数测量仪的引出线连接，

步骤3，磁体放置装置内先不放置磁体，测量获取零磁场下光伏电池薄膜的光、暗I-V特性曲线；

步骤4，将磁体置入磁体放置装置并使磁体距离光伏电池的距离最大，

步骤5，利用高斯计标定光伏电池所在位置的磁场大小与方向，并利用游标卡尺标定对应磁体的高度和方向；

步骤6，保持磁体方向不变逐步提升磁体高度至所能提供最大磁场，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，

步骤7，保持磁体方向不变逐步降低磁体高度使磁场线性减小至0，分别测试不同磁场大小下的薄膜I-V特性曲线，

测试不同磁场下的薄膜I-V特性曲线。测试过程中，磁场大小在0~Hmax范围内可调，Hmax是磁体在距离磁体1cm处的磁场强度，Hmax的大小通过替换磁体材料或增减磁体个数来调节，且磁体变位器磁场大小在可调范围内的设置磁场强度是连续的。磁场角度在0~45°范围内可调，且磁场角度在可调范围内的设置角度是连续的。磁体在两条铜导线的远端产生的磁场强度H＜1Oe，分别接入半导体参数分析仪的探针，磁场不影响探针的位置。所用铜导线是抗磁导体，磁场不影响导线延伸出来的测试端与薄膜样品的相对位置，保持磁场下所测样品的稳定性。

步骤8，将磁体翻转180°使其提供磁场方向相反，再次将磁体置入衬盘，并重复步骤6和7得到最终测量结果。

如图2所示，磁体放置装置包括磁体变位器、自由样品台2、磁体-分析仪分离模块，磁体变位器包括磁体空间架13、磁体4、塑料衬盘5、第一铜丝6、第二铜丝7和特斯拉计14，

自由样品台2放置于磁体空间架13的上表面，磁体空间架13两侧内分别具有竖直设置的通道，塑料衬盘5设于磁体空间架13的两侧之间，所述磁体4可选择正反两个方向置于塑料衬盘5上，以控制磁体N/S极方向，进而可提供样品22磁场环境的磁场方向；磁体空间架13对应塑料衬盘5上方转动设有第一旋转铜杆8和第二旋转铜杆9，第一铜丝6的一端固定于第一旋转铜杆8上，第一铜丝6的另一端绕过塑料衬盘5的一侧底部后固定于第一旋转铜杆8上，第二铜丝7的一端固定于第二旋转铜杆9上，第二铜丝7的另一端绕过塑料衬盘5的另一侧底部后固定于第二旋转铜杆9上，第一旋转铜杆8和第二旋转铜杆9两端均穿过磁体空间架13的侧面，

具体地，通过调节第一旋转铜杆8和第二旋转铜杆9，同步改变第一铜丝6与第二铜丝7垂直方向的长度来升降塑料衬盘5，改变磁体4与样品22的距离，从而改变样品22所受磁场强度；通过调节第一旋转铜杆8和第二旋转铜杆9，以便改变第一铜丝6与第二铜丝7垂直部分的相对长度来旋转塑料衬盘5，进而改变磁体4与样品22的角度，从而改变样品22所受磁场的方向；每次调整好第一旋转铜杆8和第二旋转铜杆9，都在末端通过固定杆12与两端的燕尾夹10固定。

自由样品台2用于水平放置样品22，并可自由选定样品22中的测试区域，可直接放置与取下，方便测试。自由样品台2包括多孔板15、玛瑙球16、第一铟电极17和第二铟电极18，多孔板15置于磁体空间架13上，多孔板15上表面设有至少3个圆孔，其中两个圆孔分别用于设置第一铟电极17与第二铟电极18；玛瑙球16放置于其他任一圆孔内，并通过改变玛瑙球16在多个孔洞中的放置位置，使玛瑙球16与第一铟电极17和第二铟电极18的位置形成三角形阵列；样品22放置于该三角形阵列形成的平面并平行于多孔板15设置，样品22与第一铟电极17、第二铟电极18充分接触，玛瑙球16通过改变在多孔板15上孔洞的位置，来平衡样品22；

特斯拉计14的测试探针与样品22的上表面，特斯拉计14用于检测样品22处磁场强度，以手动反馈磁场调节。

所述磁体-分析仪分离模块用于将磁体与半导体分析仪的测试探针及其他金属材质分离，防止磁体与测试探针相互吸引破坏系统测试结构，影响样品22测试。所述磁体4-分析仪分离模块包括两条导线19，第一铟电极17与第二铟电极18各自对应连接一条导线19的一端，两条导线19的另一端分别穿过磁体空间架13对应侧面内的通道并从磁体空间架13底部的孔洞向外侧水平延伸L长度的距离，磁体4在两条导线19的另一端的末端产生的磁场强度H＜1Oe。两条导线19的另一端分别接入半导体参数分析仪21的探测频道。

磁体-分析仪分离模块具有使磁体4远离测试系统探针的作用，使半导体参数分析仪21在磁学上与磁体4分离，两条导线的末端与半导体参数分析仪21测试频道相连，磁体4在末端处产生的磁场强度H＜1Oe，该场强不足以使磁体4改变半导体参数分析仪21的探针位置，保证磁体4的控制及样品22性质测量的稳定性，弥补了现有半导体参数测量系统无法将磁场、光场一体化的空白。另一方面，磁体4变位自由度高，可提供大小、角度、方向连续可调的磁场，可支持实验研究自变量的均匀变化。

如图3或4所示，本发明采用以上技术方案测试了BFO薄膜在磁场调制下的光伏效应，发现其I-V特性曲线斜率在不同磁场方向与大小调制下具有规律明显的响应，这将为未来微型磁-电、磁-光-电传感器等新型多功能器件的研发奠定了必要的方法基础；该方法下的调制磁场由于标定点自由，调制过程中变化均匀、步长自由，且调制磁场的方向亦可自由变化，在磁体所能提供的最大磁场下，磁场的大小与方向的控制是连续的、均匀的；调制系统除了磁体核心外，均为抗磁材料，磁体在调制系统结构中与半导体参数测量仪的金属电极保持无磁影响距离，保证了样品测试过程不受扩散磁场带来的不良影响。

本发明采用以上技术方案，采用PLA塑料与铜金属材料等抗磁材料作为测试方法涉及的系统主体，并使磁体远离测试系统探针，使系统在磁力作用上与磁体分离，保证磁体控制与样品性质测量的稳定性，解决了如何在光伏效应测试过程中引入磁场因素而不对测试系统产生因磁场力带来消极影响的问题；另一方面，磁体变位自由度高，可提供磁场大小连续可调、方向可变的磁场，可支持实验研究自变量的均匀变化。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。