基于表面光電壓譜的量子化能級(jí)測(cè)量

吳雅蘋(píng),張純淼,趙子銳,孟 愷,衣行健,王一帆,王新然

(廈門(mén)大學(xué) a.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.微納光電子材料與器件教育部工程研究中心;c.廈門(mén)大學(xué)國(guó)家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái);d.福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361005)

隨著科學(xué)的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步,研究人員成功制備出了量子點(diǎn)、量子線、量子阱、光子晶體等人造量子結(jié)構(gòu),獲得了固有能級(jí)以外的人工量子能級(jí)[1]. 目前,量子結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)在前沿科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛. 生物醫(yī)學(xué)方面,量子點(diǎn)可與生物分子結(jié)合,實(shí)現(xiàn)非同位素標(biāo)記生物分子的超靈敏檢測(cè);可與轉(zhuǎn)鐵蛋白共價(jià)交聯(lián),實(shí)現(xiàn)單色長(zhǎng)期熒光標(biāo)記觀察[2-3]. 信息方面,以量子計(jì)算和量子通信為代表的第二次量子革命興起,量子技術(shù)因此獲得了2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 量子科技與人類的聯(lián)系日益緊密,觀測(cè)與探索量子現(xiàn)象對(duì)提高學(xué)生的前沿科學(xué)技術(shù)認(rèn)知,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣至關(guān)重要. 然而,量子科學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)往往理論深?yuàn)W、實(shí)驗(yàn)成本高、儀器操作復(fù)雜而不利于開(kāi)展與推廣. 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了汞原子內(nèi)量子能級(jí)的存在,是經(jīng)典的量子物理實(shí)驗(yàn). 該實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象直觀、易操作的優(yōu)點(diǎn),其理論誕生至今已逾百年,而隨著量子科技的飛速發(fā)展,對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性與創(chuàng)新性提出了更高要求.

量子阱作為半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于照明、顯示、能源、通信等領(lǐng)域. 認(rèn)識(shí)量子阱能級(jí),并實(shí)現(xiàn)其探測(cè)與調(diào)控具有重要的教學(xué)與科研意義[4]. 量子能級(jí)的探測(cè)方法有光致發(fā)光、回旋共振吸收、光電壓效應(yīng)等[5],其中表面光電壓效應(yīng)法對(duì)樣品不具有破壞性,不受基底或本體的影響,且相比于吸收光譜,表面光電壓對(duì)半導(dǎo)體表面及空間電荷區(qū)的光吸收測(cè)試更加靈敏且誤差較小[6].

本文設(shè)計(jì)了基于表面光電壓譜的量子化能級(jí)測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置具有真空、變溫、偏振與測(cè)試(磁場(chǎng)條件下)功能,可實(shí)現(xiàn)量子阱等量子能級(jí)的精確測(cè)量與調(diào)控,并可拓展應(yīng)用于半導(dǎo)體材料體系. 該實(shí)驗(yàn)融合了光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光電轉(zhuǎn)換、量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等方面的知識(shí),展現(xiàn)了物理學(xué)科多樣的形式與統(tǒng)一的本質(zhì). 目前,本實(shí)驗(yàn)作為研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目已獲得全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng),并引入本校作為專門(mén)化實(shí)驗(yàn)(必修,8課時(shí))與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)(選修,16課時(shí))的教學(xué)內(nèi)容,分別面向物理系四年級(jí)全體本科生和三年級(jí)少部分本科生. 除了儀器裝置的組裝搭建、光路調(diào)節(jié)以外,專門(mén)化實(shí)驗(yàn)主要設(shè)置單組分InGaN/GaN量子阱的量子能級(jí)測(cè)量和自旋量子能級(jí)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,而開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容則主要為多組分InGaN/GaN量子阱的量子能級(jí)測(cè)量及其溫度調(diào)控. 該課程的設(shè)置充分利用了開(kāi)放研究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái),拓展了實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域,豐富了教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神、創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng).

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 量子阱中量子化能級(jí)及其光電壓測(cè)量原理

量子阱是由不同組分的半導(dǎo)體材料構(gòu)成、具有明顯量子限域效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱,其最基本的特征為:由于量子阱寬度的限制(通常與電子的德布羅意波長(zhǎng)或電子的平均自由程相當(dāng)或更小),導(dǎo)致載流子的波函數(shù)在一維方向上局域化,使得載流子量子態(tài)的態(tài)密度為與能量無(wú)關(guān)的常量[7].

對(duì)于量子阱中的量子限域效應(yīng)可簡(jiǎn)單通過(guò)連續(xù)有效質(zhì)量近似模型進(jìn)行估算.在有效質(zhì)量近似下求解薛定諤方程,勢(shì)阱中電子的波函數(shù)ψ(x,y,z)和能量E滿足以下方程[8]:

Eψ(x,y,z),

(1)

式中,勢(shì)能函數(shù)V(z)與x和y無(wú)關(guān),故可用分離變量法求解.令ψ(x,y,z)=φ(x,y)u(z),代入式(1)得φ(x,y)與u(z)滿足以下方程:

(2)

(3)

其中,Exy+Ez=E.

(4)

無(wú)限深勢(shì)阱中的量子阱能級(jí)則可表示為

(5)

ψ=φ(z)exp (ikxx+ikyy),

(6)

由于量子阱在z方向的能量本征值為一系列的分立值,因而其在勢(shì)阱中形成了類原子的分立能級(jí).

在量子阱結(jié)構(gòu)的表面光電壓測(cè)量中,可調(diào)波長(zhǎng)單色光入射樣品表面,當(dāng)其能量與最高占據(jù)能級(jí)和最低非占據(jù)能級(jí)之間的能量匹配時(shí),可激發(fā)電子躍遷,產(chǎn)生表面電勢(shì)的變化,從而在樣品的上下電極板之間產(chǎn)生相應(yīng)的電壓差異.如圖1所示,其中激發(fā)光從樣品表面垂直于量子阱方向入射量子阱中,激發(fā)量子阱產(chǎn)生光電壓信號(hào).采集并記錄這些隨入射光波長(zhǎng)變化的表面光電壓信號(hào),便可獲得穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜,其峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)量子阱中的量子化躍遷能量[9].

圖1 量子阱結(jié)構(gòu)的表面光電壓測(cè)量方法示意圖

1.2 量子阱中的自旋量子能級(jí)及其光電壓測(cè)量原理

由于自旋角動(dòng)量的作用,量子阱的量子能級(jí)具有更精細(xì)的結(jié)構(gòu),即每個(gè)能級(jí)均包含自旋向上和自旋向下的本征態(tài).自旋作為電子電荷之外的另一屬性,為器件開(kāi)發(fā)提供了新的自由度.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了測(cè)量量子阱的量子化能級(jí)和自旋量子能級(jí),設(shè)計(jì)搭建了積木式、易操作、高精度的量子化能級(jí)測(cè)量裝置.該裝置由可調(diào)波長(zhǎng)單色光源模塊、信號(hào)發(fā)生與調(diào)控模塊和信號(hào)接收與檢測(cè)模塊3部分組成,如圖2所示.

圖2 量子化能級(jí)測(cè)量裝置實(shí)物圖

2.1 可調(diào)波長(zhǎng)單色光源模塊

可調(diào)波長(zhǎng)單色光源模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波長(zhǎng)的掃描,獲得光電壓強(qiáng)度與激發(fā)波長(zhǎng)的依賴關(guān)系,并將氙燈發(fā)出的復(fù)色發(fā)散光轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)波長(zhǎng)的單色光.該模塊由氙燈、氙燈電源、聚焦透鏡、進(jìn)光狹縫、準(zhǔn)直物鏡、成像物鏡、反射鏡、出光狹縫、閃耀光柵、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成,如圖3所示.

圖3 可調(diào)波長(zhǎng)單色光源模塊示意圖

氙燈內(nèi)裝高壓短弧球形燈泡,在高頻電壓激發(fā)下形成弧光放電,輻射出強(qiáng)而穩(wěn)定、從紫外到近紅外的連續(xù)光波;經(jīng)聚焦透鏡、進(jìn)光狹縫和準(zhǔn)直物鏡的會(huì)聚、準(zhǔn)直后,入射到刻線密度為1 800 mm-1的閃耀光柵上,形成水平分布的彩色光帶;不同波長(zhǎng)的單色平行光經(jīng)成像物鏡和反射鏡后會(huì)聚在成像物鏡的焦點(diǎn)位置. 閃耀光柵放置于精密電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,并裝配42型兩相四線的步進(jìn)電機(jī),由配套控制器和驅(qū)動(dòng)器控制,帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(傳動(dòng)比為1/90),用于調(diào)節(jié)閃耀光柵的角度. 因此,將出光狹縫固定在成像物鏡的焦點(diǎn)位置,再通過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)閃耀光柵便可使不同波長(zhǎng)的單色光從狹縫射出.

2.2 信號(hào)發(fā)生與調(diào)控模塊

單色光從狹縫出射后,進(jìn)入信號(hào)發(fā)生與調(diào)控模塊. 該模塊主要由45°反射鏡、聚焦透鏡、真空樣品盒、真空泵、直型玻璃活塞、橡膠管、半導(dǎo)體制冷片、加熱電阻絲、云母片、溫差電偶、PID溫控儀、散熱風(fēng)扇、耐高溫導(dǎo)線、線偏振片、1/4波片、磁鐵構(gòu)成,可進(jìn)行大氣或真空環(huán)境中量子能級(jí)和自旋能級(jí)的探測(cè)與調(diào)控.

量子能級(jí)的測(cè)量光路如圖4所示,單色光從狹縫出射后到達(dá)45°反射鏡,光線的傳播方向由水平轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向下. 下方真空樣品盒采用具有電磁屏蔽功能的金屬材料制成,預(yù)留密封處理的石英玻璃通光孔及引線端口;樣品盒內(nèi)通過(guò)橡膠管、直型玻璃活塞與真空泵相連,采用真空泵經(jīng)由樣品盒上預(yù)留的抽氣口排出氣體,可為樣品提供真空測(cè)試環(huán)境. 入射光由透鏡聚焦后經(jīng)通光孔照射到盒內(nèi)樣品上,激發(fā)產(chǎn)生的表面光電壓信號(hào)通過(guò)引線端口引出并接入電路中.

圖4 信號(hào)發(fā)生與調(diào)控模塊示意圖

若在入射光路中插入線偏振片和1/4波片,單色光會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光. 同時(shí)采用磁性電極收集產(chǎn)生的光電壓信號(hào),并在樣品盒內(nèi)部裝配磁鐵以偏置電極的磁矩方向,篩選出特定自旋的電子,實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)自旋能級(jí)的探測(cè)[10-11],其光路如圖5所示.

圖5 自旋量子能級(jí)探測(cè)部件示意圖

此外,結(jié)合真空與控溫裝置還可以測(cè)量并調(diào)控不同溫度下的量子能級(jí),如圖6所示. 在樣品盒中裝配鎳鉻合金電阻絲或半導(dǎo)體制冷片,可實(shí)現(xiàn)樣品的加熱或制冷;采用溫差電偶、PID溫控儀可自動(dòng)測(cè)量并控制樣品的溫度,從而研究常溫、高溫以及低溫條件下的量子能級(jí).

2.3 信號(hào)接收與檢測(cè)模塊

信號(hào)接收與檢測(cè)模塊主要由信號(hào)采集器、角度傳感器、模塊通信傳感器和24 V穩(wěn)壓電源構(gòu)成,如圖7(a)所示. 其中,信號(hào)采集器的響應(yīng)時(shí)間為0.001 s,通信更新速度≤10 Hz,用于接收樣品的表面光電壓信號(hào);角度傳感器的光電壓探測(cè)靈敏度為±1 mV,探測(cè)范圍為14～5 000 mV,用于采集閃耀光柵角度的模擬信號(hào),然后由信號(hào)采集器轉(zhuǎn)換成2路數(shù)字信號(hào). 模塊通信轉(zhuǎn)換器將USB串口轉(zhuǎn)換為RS485串口,從而將電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),得到光電壓與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系,其運(yùn)行邏輯如圖7(b)所示.

2.4 波長(zhǎng)-角度定標(biāo)

由閃耀光柵分出的單色光波長(zhǎng)由光柵的旋轉(zhuǎn)角度確定,因此應(yīng)定標(biāo)波長(zhǎng)與轉(zhuǎn)角的關(guān)系. 定標(biāo)過(guò)程如下:

1)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)改變閃耀光柵的角度,將用于校準(zhǔn)的光纖光譜儀的光纖對(duì)準(zhǔn)出光狹縫,盡可能減小狹縫寬度以獲得單色性較好的單色光;

2)通過(guò)光譜儀讀取單色光的波長(zhǎng),同時(shí)用電腦端采集角度信號(hào),得到多組角度和波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有大規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)及畜牧業(yè)的支持，農(nóng)戶收入較之以前還略有下降。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶使用貸款的現(xiàn)象仍普遍存在，前些年主要是民間（私人）借貸。由于近幾年政府出臺(tái)了相關(guān)的政策，普惠金融下的精準(zhǔn)扶貧使農(nóng)戶也逐漸開(kāi)始接觸小額信貸。一些銀行以及小額信貸機(jī)構(gòu)開(kāi)始活躍起來(lái)。據(jù)調(diào)查，郵政儲(chǔ)蓄銀行綠卡在溝張村比較常見(jiàn)，村民通過(guò)申請(qǐng)辦理綠卡來(lái)使用小額信貸，從而解決暫時(shí)資金困難問(wèn)題。

閃耀光柵1級(jí)閃耀波長(zhǎng)公式為

λ1=2dcos (i+c)sinθb,

(7)

其中,λ1為1級(jí)閃耀波長(zhǎng),d為閃耀光柵刻線間距,i為入射角,c為待標(biāo)定常量,θb為閃耀角.定標(biāo)時(shí)無(wú)需關(guān)心具體的d和θb值,令A(yù)=2dsinθb,式(7)可簡(jiǎn)化為

λ1=Acos (i+c).

(8)

采用Origin的非線性函數(shù)工具擬合i和λ的對(duì)應(yīng)曲線,得到常量A和c的值.由于調(diào)節(jié)閃耀光柵角度的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)約為0.02°,相應(yīng)波長(zhǎng)的步長(zhǎng)約為0.1 nm.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)以單組分與多組分InGaN/GaN量子阱(企業(yè)定制)[12]為例,測(cè)量了該量子阱量子化能級(jí)與自旋量子能級(jí),并對(duì)其進(jìn)行變溫調(diào)控. InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)如圖8所示[13].

(a)單組分量子阱

量子阱結(jié)構(gòu)主要由厚度約為2 μm的Si摻雜N型GaN和厚度為220 nm的Mg摻雜P型GaN薄膜,以及二者之間5個(gè)周期的InGaN/GaN (3 nm/1.5 nm)超薄量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成. 制備方法如下:

1)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)N型GaN薄膜,再生長(zhǎng)InGaN/GaN超薄量子阱和P型GaN薄膜;

2)外延生長(zhǎng)完成后,通過(guò)金屬鍵合技術(shù)將P型GaN薄膜上表面與金屬Cu基板鍵合作為P型層電極;

3)通過(guò)激光剝離技術(shù)將藍(lán)寶石基底移除,暴露出N型GaN層,再通過(guò)電感耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)將N型GaN的厚度減小至約1 μm;

4)通過(guò)磁控濺射技術(shù)沉積厚度約為20 nm的Fe超薄金屬薄膜作為N型層電極,并在Fe電極表面沉積5 nm的Au保護(hù)層以防止Fe電極在空氣中被氧化.

超薄金屬薄膜電極具有高透射率和良好的導(dǎo)電性,保證了入射光可照射到量子阱中. 該結(jié)構(gòu)中GaN作為量子的阱勢(shì)壘層,而不同組分的InGaN作為量子阱的勢(shì)阱層,電子躍遷的能量取決于InGaN勢(shì)阱中占據(jù)能級(jí)與非占據(jù)能級(jí)之間的能量差[14].

單組分量子阱由多對(duì)超薄In0.14Ga0.86N/GaN結(jié)構(gòu)構(gòu)成,勢(shì)阱中最高占據(jù)能級(jí)與最低非占據(jù)能級(jí)之間的能量差為:E標(biāo)=3.106 eV. 多組分結(jié)構(gòu)中包含In0.14Ga0.86N/GaN,In0.20Ga0.80N/GaN和In0.23Ga0.77N/GaN 3種量子阱材料組分,這些組分對(duì)應(yīng)的最高占據(jù)能級(jí)與最低非占據(jù)能級(jí)之間的能量差分別為:E1標(biāo)=3.106 eV,E2標(biāo)=2.980 eV和E3標(biāo)=2.917 eV. 后續(xù)誤差計(jì)算中可將實(shí)驗(yàn)值與該標(biāo)稱值對(duì)比分析.

3.1 單組分InGaN/GaN量子阱的量子能級(jí)測(cè)量

圖9 單組分InGaN/GaN量子阱的光電壓譜

為對(duì)比光電壓譜與傳統(tǒng)的光致發(fā)光(PL)譜測(cè)試結(jié)果的差異,進(jìn)一步采用325 nm激光對(duì)單組分In0.14Ga0.86N/GaN量子阱進(jìn)行PL光譜表征,結(jié)果如圖10所示. 可以看出:樣品在360～450 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的PL峰,其最高峰值位于約404.0 nm處,與光電壓譜測(cè)得的峰位波長(zhǎng)基本一致. 然而PL信號(hào)與光電壓信號(hào)相比,其峰形明顯展寬且不對(duì)稱,半高全寬約為45 nm,顯著大于光電壓譜的測(cè)試結(jié)果(25 nm),這可能是由于材料結(jié)構(gòu)中不可避免的晶格應(yīng)力、缺陷能級(jí)等因素導(dǎo)致的譜峰展寬. 由于光激發(fā)電子空穴對(duì)的壽命較短,電子空穴的輻射復(fù)合過(guò)程往往較快,因此晶格應(yīng)力、缺陷能級(jí)等引起的PL信號(hào)較為明顯,在一定程度上對(duì)原本量子化能級(jí)的測(cè)量產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致其峰位的疊加和展寬. 相比之下,光電壓譜的測(cè)量過(guò)程是基于光生伏特效應(yīng),其探測(cè)對(duì)象主要為空間分離電子和空穴. 材料結(jié)構(gòu)中由晶格應(yīng)力、缺陷能級(jí)等因素所引起的額外能級(jí)往往波長(zhǎng)較短且能量較小,相對(duì)易于發(fā)生復(fù)合,而不易收集產(chǎn)生的光電壓. 由此證明通過(guò)光電壓譜測(cè)試方法,可以有效地探測(cè)材料的量子化能級(jí),抑制其他因素帶來(lái)的干擾信號(hào)[6].

圖10 單組分InGaN/GaN量子阱PL光譜

3.2 單組分InGaN/GaN量子阱的自旋量子能級(jí)測(cè)量

對(duì)于精細(xì)自旋量子能級(jí)探測(cè),在磁場(chǎng)(約為0.55 T)調(diào)控下,通過(guò)左旋(σ-)和右旋(σ+)圓偏振光照射樣品,得到圖11所示2條光電壓譜線.

圖11 單組分InGaN/GaN量子阱自旋向上和自旋向下的光電壓譜

盡管2條譜線的峰位幾乎重合,但其峰強(qiáng)差異明顯,分別對(duì)應(yīng)于自旋向上和自旋向下的量子能級(jí)躍遷. 根據(jù)自旋極化率公式計(jì)算可得[15]:

該結(jié)果與文獻(xiàn)[10]采用的電致發(fā)光法測(cè)得的極化率結(jié)果相近,證明該實(shí)驗(yàn)裝置成功實(shí)現(xiàn)了自旋能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測(cè).

3.3 多組分InGaN/GaN量子阱的量子能級(jí)測(cè)量及其溫度調(diào)控

對(duì)于多組分InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu),首先測(cè)量了其在室溫(25 ℃)與140 ℃下的光電壓譜,如圖12所示. 可以看出:多組分量子阱的譜線與單組分結(jié)構(gòu)相比有所展寬,且相對(duì)常溫譜線高溫譜線呈現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象,測(cè)得最大紅移波長(zhǎng)約為10 nm. 該紅移現(xiàn)象源自溫度對(duì)吸收邊能量位置的影響,首先是熱膨脹,即溫度導(dǎo)致晶格常量變化引起帶邊的移動(dòng);其次是溫度引起的晶格振動(dòng)狀態(tài)的變化,導(dǎo)致電子聲子耦合,引起能級(jí)位置的移動(dòng).

圖12 多組分InGaN/GaN量子阱在室溫(25 ℃)與140 ℃下的光電壓譜

為了區(qū)分多組分量子阱中的各量子化能級(jí),進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行低溫(-20 ℃)光電壓譜的探測(cè). 測(cè)試過(guò)程中,采用真空樣品盒配合真空泵使樣品處于真空環(huán)境,并且在樣品背面粘貼半導(dǎo)體制冷片,對(duì)樣品進(jìn)行制冷,并由溫差電偶測(cè)量其溫度. 測(cè)量結(jié)果與常溫光電壓譜線對(duì)比曲線如圖13所示. 低溫譜線相比常溫譜線表現(xiàn)出了更明顯的不對(duì)稱性,且3種組分對(duì)應(yīng)的峰位已可分辨,如圖14所示.

圖13 多組分InGaN/GaN量子阱室溫和低溫的光電壓譜

圖14 多組分InGaN/GaN量子阱低溫光電壓譜及其分峰曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用自主設(shè)計(jì)搭建的量子化能級(jí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置,基于表面光電壓法實(shí)現(xiàn)了InGaN/GaN量子阱量子能級(jí)與自旋精細(xì)能級(jí)的高精度探測(cè);通過(guò)溫度調(diào)控研究了能級(jí)的紅移現(xiàn)象,并在低溫下分辨出多量子阱中各組分的量子化能級(jí). 該實(shí)驗(yàn)解決了量子化能級(jí)測(cè)量難以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題. 實(shí)驗(yàn)裝置由分立元件構(gòu)成,打破黑盒子,直觀地展示物理過(guò)程. 實(shí)驗(yàn)具有良好的開(kāi)放性和拓展性,可施加力、熱、光、電、磁進(jìn)行多場(chǎng)調(diào)控,探索不同材料體系豐富的物理性質(zhì),并涉及到光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光電轉(zhuǎn)換、量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等諸多領(lǐng)域,兼具教學(xué)與科研功能. 該實(shí)驗(yàn)與前沿科技緊密結(jié)合,加深了學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體、量子、自旋等知識(shí)的理解,培養(yǎng)了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)與探索能力,同時(shí)使學(xué)生深刻體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程,提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng).