本專利是無液氦光譜學(xué)恒溫器一種樣品室，具體涉及一種熱絕緣的可置光源結(jié)構(gòu)，涉及低溫下的黑體輻射光源和屏蔽外界熱輻射的冷屏結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于對高靈敏度光電導(dǎo)性的半導(dǎo)體材料在低溫下的光電特性研究，通過普朗克定律和能量守恒定律從而得到高靈敏度光電特性半導(dǎo)體材料在低溫下的響應(yīng)光譜。

背景技術(shù)：

目前利用傳統(tǒng)的單色光源系統(tǒng)對半導(dǎo)體材料進(jìn)行光電特性研究，大多是通過窗口把光引入樣品室，由于沒有完全屏蔽，樣品被單色光照射的同時也會受一個很強(qiáng)的背景黑體輻射300K影響。由于300K所輻射10μm波長的光，現(xiàn)存的光源系統(tǒng)不能滿足波長在10μm以上的單色光，于是我們無法對微弱現(xiàn)象進(jìn)行研究，比如對于高靈敏度光電特性的半導(dǎo)體材料，如果從外界引入單色光，背景輻射所輻射光能量往往大于我們所用單色光源的能量，在研究的結(jié)果數(shù)據(jù)中很難精準(zhǔn)確定光源的激發(fā)光譜。

低溫下半導(dǎo)體材料的熱容是隨著溫度的降低而減少—德拜模型，所以在低溫環(huán)境中，一個很弱的光就可以迅速將半導(dǎo)體材料加熱，使其迅速升溫，從而對應(yīng)的光電特性也會改變。所以在低溫環(huán)境中研究高靈敏度光電特性半導(dǎo)體材料需要一個可以完全屏蔽外界背景輻射的干擾，這樣我們就需要一個在低溫環(huán)境下能夠激發(fā)可變波長光的黑體作為光源，由于低溫樣品室空間有限，在低溫下工作的理想黑體光源并不容易找到。所以在研究高靈敏光電特性半導(dǎo)體材料，需要我們擁有一個能夠在低溫下工作的黑體輻射光源。

而對于現(xiàn)在市場上的恒溫器樣品室內(nèi)沒有設(shè)置安裝光源的結(jié)構(gòu)，他們?nèi)匀徊捎脧拇翱谝雴紊庠?，如果安裝光源，完全屏蔽的樣品室內(nèi)同時也缺少一個熱絕緣的可置光源結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本專利的目的設(shè)計一種無液氦光譜學(xué)恒溫器黑體輻射光源的樣品室，樣品室在低溫環(huán)境中達(dá)到完全屏蔽外界熱輻射干擾，安裝能夠正常工作的理想型黑體輻射光源，同時要求具有與冷頭熱絕緣的可置光源結(jié)構(gòu)，通過兩個獨立的溫度計分別監(jiān)測樣品室和光源溫度及其變化，從而應(yīng)用于對高靈敏度光電導(dǎo)性的半導(dǎo)體材料在低溫下的光電特性研究，通過普朗克定律和能量守恒定律從而得到高靈敏度光電特性半導(dǎo)體材料在低溫下的響應(yīng)光譜。

本專利的技術(shù)方案如下：

無液氦光譜學(xué)恒溫器黑體輻射光源的樣品室是有：底座101，防熱輻射冷屏102，樣品架103，內(nèi)置溫度計的銅塊104，玻璃鋼底座105，內(nèi)置溫度計小底座106，溫度計107與加熱電阻片108組成。

底座101是兩個連體的圓形底盤結(jié)構(gòu)，底盤大小根據(jù)已有的無液氦光譜學(xué)恒溫器來設(shè)計，同時也確定圓盤圓心通孔的位置。上底盤光滑，下底盤側(cè)壁帶M50螺紋，圓盤的圓心位子設(shè)一小的通孔，儀器的信號線和其他的電源線穿過通孔固定，并用鋁箔膠帶密封。上底盤邊緣上打有9個完全一樣的通孔，其圓心是在以底盤為圓心Φ＝76.2mm的邊上，具體位子105°、135°、180°陣列而成，可用M5的紫銅螺絲通過通孔將底座101固定在溫控儀的冷頭上。圓心水平位置的左側(cè)，是M6螺紋孔，它與玻璃鋼底座105相連接。在通過圓心水平線的垂直線上存在對稱的兩個M3螺紋孔,用來安裝內(nèi)置溫度計的銅塊104。 圓心偏右有兩個等距的M3螺紋孔,固定樣品架103，詳見附圖1。

防熱輻射冷屏102，內(nèi)置M50螺紋8圈,冷屏側(cè)壁對稱存在四個大小一樣的通孔,位置與溫控儀窗口相對，以實現(xiàn)我們需要從外界光源引光至樣品室內(nèi)。但做黑體輻射光源系統(tǒng)時，用鋁膠帶將其密封，以保證完全屏蔽外界熱輻射的作用，詳見附圖1。

樣品架103,頂端兩個固定樣品架的耳朵，并設(shè)通孔,與底座101固定。根據(jù)我們不同的需求，目前樣品架103設(shè)計有兩種，一種可用于黑體輻射光源的103 1、2，下端設(shè)兩個螺孔M2.5可固定樣品，樣品可平放在有效的光照范圍內(nèi)。在底邊上端的水平線上有兩個M2.5螺紋孔，它們不僅可用來輔助固定樣品的，而且用銅片連接可輔助樣品架更有效的對樣品進(jìn)行降溫與升溫。另一種是裝可見光源LED的樣品架103 3、4，光源LED可固定在最上端的通孔，樣品固定在圓周圍的四個M2.5螺紋孔上，詳見附圖2。

內(nèi)置溫度計的銅塊104，是一長方體，銅塊側(cè)壁用通孔打穿，通孔大小略大于溫度計107直徑，溫度計107就放置在通孔中，內(nèi)置溫度計的銅塊104上下面打一通孔，用M3紫銅螺絲固定在底座101上，詳見附圖1。

玻璃鋼底座105，這是一個熱絕緣結(jié)構(gòu)。上端是M6螺紋柱，共4圈螺紋,它與底座101相連接。下端為圓柱型，以圓柱中心設(shè)M4螺紋孔，它與內(nèi)置溫度計小底座106相連接。

內(nèi)置溫度計小底座106，下端為M4螺紋圓柱，可旋入玻璃鋼底座105的中心螺紋孔內(nèi)。內(nèi)置溫度計小底座106上端與長方體的銅塊為一體。銅塊內(nèi)設(shè)一通孔，專門放置溫度計107，詳見附圖1.

溫度計107，圓柱形。分別放置在內(nèi)置溫度計銅塊104與內(nèi)置溫度計小底座 106體內(nèi)，詳見附圖3。

加熱電阻片108，以藍(lán)寶石Al₂O₃為襯底的Ti-Au電阻，使用時是貼在內(nèi)置溫度計小底座106的側(cè)面，作為整個的黑體輻射光源系統(tǒng)，詳見附圖4.

其特征是，所述的底座101用M4紫銅螺絲固定在恒溫器的冷頭上，樣品架103用M3紫銅螺絲固定在底座101上，防熱輻射冷屏102與底座101靠螺紋固定連接，樣品架103用M3紫銅螺絲與底座101固定連接。內(nèi)置溫度計的銅塊104用M3紫銅螺絲固定在底座101上，熱絕緣的玻璃鋼底座105與底座101靠螺紋固定連接，而內(nèi)置溫度計小底座106與玻璃鋼底座105靠螺紋固定連接，溫度計107分別裝置在銅塊104與小底座106內(nèi)，以藍(lán)寶石為襯底的加熱電阻片108貼在內(nèi)置溫度計小底座106的側(cè)壁，加熱電阻片108與兩個溫度計107都與溫控儀連接。

本專利的優(yōu)點：樣品室的防熱輻射冷屏102內(nèi)設(shè)一定高度的螺紋方便我們調(diào)控樣品室內(nèi)的空間大小。室內(nèi)設(shè)有兩個溫度計107，可精確的監(jiān)測樣品室內(nèi)溫度與黑體輻射光源的不同溫度。黑體輻射光源系統(tǒng)可以輻射10μm以上波長的單色光，與底座101用玻璃鋼底座105熱絕緣處理。光源系統(tǒng)的加熱電阻片108以藍(lán)寶石Al₂O₃為襯底的Ti-Au電阻，低溫下非常穩(wěn)定，藍(lán)寶石導(dǎo)熱性更有效的加熱黑體輻射光源。黑體輻射光源系統(tǒng)的發(fā)光銅塊表面鍍Au，Au發(fā)射率ε～1。

附圖說明

圖1：樣品室整體結(jié)構(gòu)的二維剖面圖，圖中各部分為：底座101，防熱輻射冷屏102，樣品架103，內(nèi)置溫度計的銅塊104，玻璃鋼底座105，內(nèi)置溫度計小底座106，溫度計107與加熱電阻片108。

圖2：樣品架103，圖(1)、(2)分別是可用于黑體輻射光源樣品架側(cè)面圖與俯視圖，圖(3)、(4)分別是可裝可見光源LED的樣品架側(cè)面圖與俯視圖。

圖3：溫度計107，測量范圍1.4K～420K。

圖4：加熱電阻片108，以藍(lán)寶石Al₂O₃襯底的Ti-Au電阻，在低溫下Ti-Au電阻比較穩(wěn)定。

圖5：黑體光源和樣品室的溫度曲線。

圖6：黑體光源溫度100K的情況下，單位時間樣品對不同波長光吸收的光子數(shù)曲線圖。

圖7：同一波長光樣品的吸收功率與黑體光源溫度的曲線圖。

圖8：實驗測得的樣品增長電流與黑體光源溫度的曲線圖。

具體實施方式

下面根據(jù)專利內(nèi)容和附圖說明給出本專利的一個較好的實例，結(jié)合實例進(jìn)一步說明本專利技術(shù)細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)特征和功能特點。但此實例并不限制本專利范圍，合乎專利內(nèi)容和附圖說明中描述的實例均應(yīng)包含在本專利范圍內(nèi)。

兩個溫度計107我們選擇溫度的測量量范圍為1.4K～420K，加熱電阻片108我們?nèi)ˇ福?00Ω。我們用溫控儀分別測到樣品室和黑體光源的溫度為T和T_emitter。如圖5所示。

當(dāng)做降溫實驗時，降溫至最低溫樣品室內(nèi)的溫度T＝2.25K，黑體光源的溫度T_emitter＝4.2K，當(dāng)我們把黑體光源即內(nèi)置溫度計小底座106打開即給它加熱升溫并設(shè)置T_emitter＝10K時，黑體光源迅速并穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定溫度10K，并通過恒溫儀的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)并保持恒定的溫度不變，當(dāng)黑體光源的溫度為10K時，我們從圖5中可以明顯看出樣品室內(nèi)溫度T基本保持不變，而實際樣品室內(nèi)溫度 增長至2.27K，在極低溫的環(huán)境下，對黑體光源加熱，而加熱電阻片108對樣品室內(nèi)溫度的加熱率為0.2％，顯然玻璃鋼底座105的絕熱效果達(dá)到我們的要求。當(dāng)關(guān)閉黑體光源時，溫度也是迅速的達(dá)到穩(wěn)定值T_emitter＝4.2K，同時表明我們關(guān)閉黑體光源系統(tǒng)時，黑體輻射對樣品光照的延遲作用比較小。當(dāng)我把光源溫度設(shè)定為T_emitter＝100K時，也可穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定的溫度，由于加熱的延遲效果，黑體光源的溫度有一個加熱的緩沖效果，溫度會超過與低于100K的區(qū)間有個短暫的波動，通過溫控儀自動調(diào)控，黑體光源很快達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定值。這樣的一個加熱緩沖過程，是隨著設(shè)定的T_emitter越高，緩沖時間越長。而我們可以從圖5右上角的圖中可以看到，當(dāng)黑體光源達(dá)到我們設(shè)定的溫度100K時，樣品室溫度受加熱電阻片108熱量的影響升至3.3K并穩(wěn)定，此時加熱電阻片108對樣品室的加熱率1％，加熱功率隨著加熱電阻片108對黑體光源加熱溫度的升高而增大，但樣品室內(nèi)溫度的增長在我們的接受范圍之內(nèi)。

由普朗克定律得，單位時間內(nèi)的光子量：

Φ＝εM(λ，T_emitter)Ω△λ_dS/(hc/λ)

其中：

M(λ，T_emitter)＝(2hc ²/λ⁵){exp(hc/λkT_emitter)-1}，

λ是激發(fā)光的波長，Temitter是黑體的溫度，k是波爾茲曼常數(shù)k＝1.38×10-23J.K-1，c是光速c＝3.00×108m/s，h是普朗克常數(shù)h＝6.626×10-34J.s。S為黑體發(fā)光面積S＝2.5×10-5m2，△λd樣品帶寬，立體角Ω＝S0/d2,S0為樣品表面積，d為光源據(jù)樣品的距離。

我們?nèi)aAs/AlGaAs雙量子阱結(jié)構(gòu)，樣品面積S₀＝1×10^-5m²,△λ_d＝1μm,d＝3.5cm,Ω＝0.0082sr,T＝100K，如圖6所示，單位時間能的樣品吸收不同波 長光的光子數(shù)曲線。

樣品表面吸收光的功率P＝aΦhv＝aΦhc/λ，a＝1如圖6所示，同一波長樣品在不同溫度下的吸收的功率曲線。

我們從實驗測樣品電流與黑體光源溫度的曲線如圖7所示，由△I＝RP，電流響應(yīng)度R＝4×10⁴～4×10⁶A/W，能量守恒定律得樣品增長的電流正比于樣品吸收功率，曲線擬合對比從而得到GaAs/AlGaAs雙量子阱的響應(yīng)波長14.7μm。