説明

電界分布またはキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置

【課題】
キャリアの発生、消滅を評価する手段を有する検出装置を提供すること。
【解決手段】
観察対象物に設けられた電極間における電界分布またはキャリア分布を高次高調波に基づいて検出する検出装置において、前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、前記観察対象物にキャリアを発生させるための励起光を照射する励起照射部と、前記励起照射部の第1信号に基づき、前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第2信号で照射させ、第3信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部を備え、前記制御信号出力部は、前記第1信号の出力時点と前記第2及び第3の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電界分布またはキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出するための検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電子工学の分野においては、物体中でのキャリアの動的特性を明らかにすることが非常に重要である。昨今から、キャリアの動的特性を評価する各種の手法(たとえば後述するTOF法)が開発されている。また、基本波を入力し、その高次高調波からキャリアの移動度を測定する方法も開発されている。
【0003】
また、近年においては、有機照明、有機太陽電池、有機FET(Field effect transistor)等に代表されるような有機材料を活用した有機電子デバイスが特に注目を集めている。有機電子デバイスは、可撓性を有するなど通常の電子デバイスとは異なる特性を有するからである。このような有機電子デバイスにおいても、キャリアの動的特性を評価することはデバイス等の開発を進める上で非常に重要である。なお、キャリアの動的特性とは、キャリアの注入(Injection)、キャリアの蓄積(Accumulation)、キャリアの輸送(Transport)、キャリアの発生(Generation)、消滅(Disappearance)といった諸特性を示す。
【0004】
ここで、キャリアの動的な特性(特にキャリアの移動度)を評価する手法の1つであるTOF(Time of Flight)法について説明する。
【0005】
図18に、TOF法を説明するための説明図を示す。図18に示すように、TOF法では電源E1を用いて、一対の電極200、201に挟持されたサンプル203に電圧を印加する。サンプルに印加された時点に合わせて、電極200側からレーザ光をサンプル203に照射する。レーザ光が照射されることにより、サンプル203の電極200付近には電子が生成される。生成された電子は、電界に従って、電極201に向かって進む。そして、電極201に接続された電流計202によって、電極201−グランド間の電流量が測定される。なお、電極200は、レーザ光に対して透明な電極である。このような構成を前提として、TOF法では、まず、測定した電流波形から電極間のキャリアの移動時間を求め、求めたキャリアの移動時間と設定済みの電極間距離に基づいてキャリアの移動度を求める。なお、TOF法に用いられる装置は、特許文献1に記載されている。
【0006】
キャリア分布を測定する方法としては、SHG(Second-Harmonic Generation)法がある。これは、図17に示すように、光第2次高調波の強度に基づいて検出する検出方法を取っている。観察対象物に基本波を照射する照射部と、電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された光第2次高調波を検出する検出部と、それらを駆動する制御部の発振、検出信号の時間間隔を制御して、キャリアの移動度を検出するものである。
【0007】
その動作を図17を用いて説明する。図17は、電界分布又はキャリア分布の観察に用いられる光第2次高調波(高次高調波)の検出装置(以下、単にSHG強度分布取得装置と呼ぶ)100の概略的な構成図である。
【0008】
従来の検出装置は、観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を光第2次高調波の強度に基づいて検出する装置であって、観察対象物に基準波を照射する照射部と、電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された光第2次高調波を検出する検出部と、基本波を制御する信号と電圧を制御する信号を備え、それらの間隔を変更可能に構成することで移動度を検出している。
【0009】
図17に示すように、SHG強度分布取得装置100は、レーザ発振器(光源)1、波長変換器2、ミラーRM、減衰フィルタ3、偏光板4、ローパスフィルタ5、ハーフミラーHM1、対物レンズOLを有する。また、SHG強度分布取得装置100は、ペンタセンFET(観察対象物)50が載置されるステージ11を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、ハーフミラーHM2、バンドパスフィルタ12、偏光板13、バンドパスフィルタ14、光電子増倍管(PMT)15を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、レンズ17、撮像装置18を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、制御信号出力部30、処理部16を有する。
【0010】
SHG強度分布取得装置100は、レーザ発振器1によって励起される波長変換器2からレーザ光(基本波)をペンタセンFET50に照射し、ペンタセンFET50にて生成された光第2次高調波を光電子増倍管15で検出する。制御信号出力部30は、ペンタセンFET50のソース電極6にパルス信号S2を出力する時点と、スイッチ素子21にパルス信号S3を出力する時点とを制御する。これによって、ペンタセンFET50に電圧が実際に印加された時点(第1時点=電圧印加時点)とペンタセンFET50にレーザが照射される時点(第2時点=レーザ照射時点)とが変更可能とされる。なお、スイッチ素子21にパルス信号S3を出力する時点後に、レーザ発振器1からレーザ光が出力される。
SHG強度分布取得装置100を用いて、ペンタセンFET50に形成され得るチャネル(キャリアの移動通路)の複数個所ごとに、上述の電圧印加時点−レーザ照射時点間の時間間隔が異なる複数の条件について、光第2次高調波の強度分布を測定する。これによって、ペンタセンFET50のチャネルにおける電界分布又はキャリア分布の推移を観察することができる。
【0011】
レーザ発振器1は、フラッシュランプ(励起光源)19、ロッド20、スイッチ素子(スイッチ部)21、反射ミラーM1、M2、THG(Third Harmonic Generation)結晶22を有する。レーザ発振器1はいわゆる固体レーザ装置であって、Qスイッチ動作し、所定のパルス幅のレーザ光(基本光もしくは基本波)を出力する。レーザ発振器1からは、355nmの波長のレーザ光が出力される。レーザ発振器1は、光源であるとともに、照射部として機能する。
【0012】
フラッシュランプ19は、ポンピング用の励起光源である。ロッド20は、Nd:YAG(レーザ媒質)がドープされた母体である。ロッド20の一方に反射ミラーM1が配置され、ロッド20の他方には反射ミラーM2が配置される。ロッド20、反射ミラーM1、M2により、共振器が構成される。スイッチ素子21はロッド20と反射ミラーM1との間に配置される。
【0013】
フラッシュランプ19は、制御信号出力部30からハイレベルのパルス信号(制御信号)S1が入力されたとき励起光を出力する。ロッド20にドープされたNd:YAGは、フラッシュランプ19からポンピングされる励起光により励起状態となる。Nd:YAGは、励起状態から基底状態になるときに光を放出する。ロッド20からの出射光は、反射ミラーM1と反射ミラーM2との間で共振し、励起状態にあるNd:YAGは誘導放出される。
スイッチ素子21は、電気光学結晶であって、電圧印加時に、レーザ光(1064nm)に対する透明度が高くなる。つまり、スイッチ素子21は、電圧印加時にレーザ光に対して透明となり、電圧無印加時にレーザ光に対して不透明となる。ここでは、制御信号出力部30からのパルス信号(制御信号)S3がハイレベルの間、スイッチ素子21はレーザ光に対する透明度が高くなる。スイッチ素子21を制御することによって、レーザ発振器1は所定のパルス幅のレーザ光(基本光又は基本波)を出力する。
【0014】
波長変換器2は、光学結晶を用いて、レーザ発振器1から出射されたレーザ光の波長を変換する。すなわち、355nmから1120nmに変換される。
波長変換器2と減衰フィルタ3との間の反射ミラーRMは、波長変換器2から出力されたレーザ光を減衰フィルタ3に向けて進行させる。
減衰フィルタ3はレーザ光の強度を調整するための部材である。観察対象物であるペンタセンFET50は、有機デバイスである。したがって、ペンタセン層8自体が照射されるレーザ光によって物理的に破壊されないようにレーザ光の強度を減衰させている。
【0015】
偏光板4は所定の振動方向のレーザ光のみを通過させる。すなわち、ペンタセンFET50に照射されるレーザ光の偏光成分の品質を高めている。ローパスフィルタ5は、所定波長以上(所定周波数以下)の光のみを通過させる。すなわち、ここでは、波長1120nmの光を通過させ、波長710nm以下の光を遮断する。ローパスフィルタ5と対物レンズOLとの間のハーフミラーHM1はローパスフィルタ5を通過したレーザ光の50%を対物レンズOLに向けて進行させる。対物レンズOLは、レーザ発振器1からのレーザ光をペンタセンFET50の所定箇所に集光する。同時にペンタセンFET50から放出された光第2次高調波の50%を通過させる。
【0016】
ハーフミラーHM2は、ハーフミラーHM1を通過した光の50%をバンドパスフィルタ12に出力する。ハーフミラーHM2は、ハーフミラーHM1を通過した光の50%の光を撮像装置18に出力する。
バンドパスフィルタ12は波長800nm以上の光を遮断する。バンドパスフィルタ12はペンタセンFET50で反射されたレーザ光をカットし、反射されたレーザ光(波長:1120nm)が光電子増倍管15に入力されないようにする。
【0017】
偏光板13は、所定の振動方向の光第2次高調波のみを通過させる。すなわち、光電子増倍管15に入力される光第2次高調波の偏光品質を高めている。バンドパスフィルタ14は、光第2次高調波(波長:560nm)付近の帯域の光のみを通過させるフィルタである。
光電子増倍管15は、入射された光第2次高調波を光電変換する。この電気信号により、電界分布を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【特許文献1】特開2006−135125号公報
【特許文献2】特開2008−218957号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
従来の発明の課題は、有機デバイスの動的特性の一部である、注入、蓄積、移動を捉えることを目的としていた。したがって、発生、消滅については着目していなかった。このため、ペンタセンFETのような横構造デバイスに適用できる装置は提案されていたが、縦構造に対する解析手段は報告されておらず、また、その分解能の向上手段に対しては検討されていなかった。
【0020】
従来の装置は、キャリアの発生、消滅を対象としていなかったため、キャリアは電圧印加により注入され、その後、電界分布として蓄積を捉え、時間関数として、移動を捉えていた。したがって、励起機構を有さず、かつ、励起と同期したキャリアの時間変化を捉える機構を有していなかった。
【0021】
また、発生、消滅を課題として考えた場合、分子構造の異なる材料での消滅過程は、当然、材料に依存することが考えられるが、その課題を解決するための検出手段がなかった。また、この課題を解決するため、Nd:YAGレーザ出力の高次高調波出力が波長に依存するという課題に対応するための均一出力化の手段を有していなかった。
【0022】
有機デバイスが着目されている応用は、ディスプレイ、照明等への利用で考えられているフォトルミネッセンス及び太陽電池等への利用に考えられている光起電力、並びに、有機半導体としてのFET等である。これらのいずれのデバイスにおいても、縦構造に対する知見を得ることが重要である。本来、前者の2つは、縦構造デバイスであり、後者のFETにおいても、チャネルは横構造であるが、そのチャネルを制御するMIS構造は縦構造である。したがって、有機デバイスの動的特性である、注入、蓄積、移動、発生、消滅を捉えるには、縦構造の知見を高次高調波から得ることが重要となる。
【課題を解決するための手段】
【0023】
本発明は、前記観点に立ち、前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布またはキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、前記観察対象物にキャリアを生成するための励起照射部とを有し、基本波を照射する照射部と対物レンズの間には、光軸偏光成分を透過させるZ軸偏光子を配置し、前記励起照射部の第1信号に基づき前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第2信号で照射させ、第3信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部30を備え、前記制御信号出力部30は、前記第1信号と前記第2、第3の信号出力時点との間の時間間隔を変更させることにより、キャリアの発生、消滅を評価する手段を提供するものである。
【0024】
Z軸偏光子を導入する理由を次に示す。
位置Zでの高次高調波の発生は、
【数1】

で与えられる。ここで、E(ω)は光のZ成分の電界、E(0)はキャリアの発生する電界となる。
有機膜全体からの高次高調波出力は、
【数2】

で与えられる。すなわち、光軸方向に電界を有する基本光を照射して、発生する高次高調波出力を測定する検出装置が要求されることになる。
この点が、従来の発明である上記特許文献2に記載の検出装置と異なるところで、それには、光軸方向に偏光する偏光子(Z軸偏光子)を導入することが必要不可欠となる。
【0025】
Z軸偏光子の形成方法には、3つの方法がある。その構成を図2に示す。Z軸偏光子を実現するには、基本的に偏光機能を有する材料を円形に構成し、X、Y軸成分の偏光を相殺することにより、Z軸成分の偏光のみを発生させようとするものである。その手段はいくつかあるので、それらの構成を次に示す。
図2(a)は、フォトニック結晶を利用して偏光子を形成したもので、縦方向の成膜プロセスにより偏光異方性を実現している。Z軸偏光を実現するには、パターニングを円形に設定すればよく、容易に実現することができる。ただし、その欠点は図3に示すように消光比の波長依存性が高いことである。このため、解析対象となる波長領域800−1200nmをカバーするには、消光比の特性を−20dBに設定したとしても少なくとも4枚のフィルタを交換して対応する機構が必要となる。
【0026】
図2(b)に示した方法は、液晶を用いる方法である。液晶の偏光特性は、その分子構造に依存している。すなわち、液晶分子の整列方向を揃えることにより、偏光特性を実現している。したがって、消光比自身の特性は、フォトニック結晶に劣るものの、波長依存性は弱く、したがって、1つのフィルタで全ての波長に対応できる特徴を有しており、本発明に適している。
【0027】
図2(c)はコニカルブリュスタープリズムを利用したZ軸偏光子で、コニカル角を68.4度に設定し、これに、多層膜を形成することで機能を実現している。ただし、この場合、コニカルプリズムの位置あわせが困難であり、また、フォトニック結晶と同様、消光比の波長依存性が大きく、実用化には向いていない。
その他の方法として、ポーラコアを寄木細工のように張り合わせて円形に構成する方法も考えられる。この方法も消光比の波長依存性は低いと考えられるため、有効な方法である。いずれにしても、前記のいずれかの方法で、Z軸偏光子を構成し、本発明の目的を実現することが可能である。
【0028】
電荷の注入、蓄積、移動を観察するには、電圧の印加と基本光の時間間隔、および、その横方向の照射位置をパラメータとして有機FETを用いて測定すれば、測定が可能であったが、発生、消滅を測定するには、接合面に垂直な電界を基本波で与えること、キャリアを発生させるための励起光を与えること、および、励起光が消滅するまでの時間測定を行うことが必要である。
すなわち、基本波(基本光)を与えるための照射部を有すること、その照射部から、対物レンズの間に、Z軸に偏光面を整列させるためのZ軸偏光子を設けること、高次高調波を検出する検出部と対物レンズの間に、励起光を導入するための機構を設けることである。また、この励起光は、時間測定を容易にさせるため、速い動作速度を有する光源が必要であり、また、検出波長領域外で設定しないと、光電子増倍管の飽和を招き、高次高調波が検出できない虞があるため、検出波長範囲を除き、有機太陽電池、有機EL、有機半導体の吸収可能範囲の波長の設定が望まれる。一例として、405nmの青色レーザや685nmの赤色レーザが適している。これらの励起光を用いると、検出波長範囲は420−600nmが確保され、基本波として840−1200nmに対応することができる。
【0029】
有機デバイスの多くは、絶縁体に近い性質を有しており、導電性を上げるため、その厚さは1μm以下に設計されているものがほとんどである。このため、Z軸方向の位置精度は、±5nm程度の精度が要求される。これを実現するアクチュエータは、現在、ピエゾアクチュエータであるが、このピエゾアクチュエータの場合、その可動範囲はせいぜい100μmであり、重い対物レンズを駆動させるとなると、20μm程度となる。この程度の可動範囲では操作性に影響するため、Zステージにピエゾアクチュエータを搭載する2段構造を採用し、操作性と分解能を確保している。
これにより、Zステージが粗調を担い、微調はピエゾアクチュエータが担うことで、可動範囲±20mm、分解能±5nmを実現している。
【0030】
接合部での界面の情報を得るには、P型材料、ならびにN型材料における、キャリアの発生、消滅の情報を得ることが重要であるが、それには、高次高調波が材料固有の特性を有していることを利用することが有効である。
それには、検出装置にこの固有波長を検出する機能を設けておくことが有効である。その機能は、照射部から発生する基本波の波長を掃引し、発生する高次高調波の強度を測定し、そのピーク値での波長を同定することである。ただし、この操作には、3つの課題がある。レンズに用いられているガラスの屈折率が波長依存性を有していることである。このため、2つのレンズ群、波形整形部ならびに対物レンズに対し、焦点補正を行う必要がある。もう1つは、基本波を発生させているレーザの出力が波長依存性を有していること、ならびに、使用する対物レンズのARコートの波長依存性に基づくものである。
前者については、つぎのような対策を行っている。すなわち、図4に示すように、波形整形部52は、虹彩絞り25、減衰フィルタ3、回転制御板26、凸レンズ37、凹レンズ38、X−ステージ31で構成されている。虹彩絞り25で、基本波のビームを整形し、凸レンズ37と凹レンズ38を用いて対物レンズOLに入射するビームの径を制御している。したがって、基本波を変化させると、この凸レンズ37、凹レンズ38の焦点が変化することになる。この補正を次のように行っている。
Z軸偏光子の光軸調整を目的として、撮像装置18が用意されている。この構成は図4に示すように、スライド型反射ミラーRM’、減衰フィルタ3、偏光板4、撮像装置18である。波形整形部52からのビームは、できる限りコリメート光が出射されるように調整すれば良い。したがって、波長変換器2に取り付けられたアクチュエータ23を制御部24で駆動して基本波を変更するときに、X−ステージ31上に搭載されている凹レンズ38の位置を移動し、ビーム波形を観察し、ビーム波形が最もシャープになるときの波長とX−ステージ31の位置を記憶しておき、アクチュエータ23の位置とX−ステージ31の位置を連動させて動かすことにより、この課題を解決している。
【0031】
対物レンズの焦点補正については、使用するレンズの視野範囲が0.22mmであるため、試料位置にこれより小さな受光径を有する検出器を設置し、この検出器の出力が最大になる波長とピエゾアクチュエータ29の位置を求め、この結果を記憶させておき、アクチュエータ23と連動させることでこの課題を解決している。
【0032】
高次高調波の補正には2つの要素がある。1つは入射する基本波の強度を均一化すること、他は、出射する高次高調波の出力を補正することである。これらは、発生機構から考え、同時に行うことができないので、2つに分けて行うことにする。
1つは、入射側を均一にすることである。波長変換器2からの出力は、図5に示すように、800−1200nmの波長範囲では、約2倍変動する。これに、減衰フィルタの波長特性、対物レンズのARコートの波長特性が加わることになる。この補正は、試料位置に検出器を置き、そこでの測定値に基づいて、回転制御板26を駆動し、800−1200nmの範囲でできる限り均一になるように、減衰フィルタ3を選択して均一化を実現する。
【0033】
受光側の特性は、対物レンズOLのARコートの特性、ならびにバンドパスフィルタ14、14’の特性に起因している。これらの特性は、波長依存性の測定を行い、その結果と波長との関係を記憶させることにより、補正することになる。
【0034】
有機デバイスの縦構造の寸法は、前述したように、1μm以下と非常に薄いものである。したがって、その境界面を同定するのは、計測器を用いて行うのは不可能である。本発明の系においては、ピエゾアクチュエータのみがその精度を確保している。したがって、このピエゾアクチュエータと高次高調波の出力、ならびに、材料の固有波長特性を利用して同定する方法が唯一可能な方法である。
固有波長は、前記の方法で同定が可能である。したがって、Zステージ39を固定した状態でピエゾアクチュエータ29を駆動させると、各材料の高次高調波は、図6に示すように材料の位置に応じて発生する。したがって、それぞれのピーク値を1として正規化し、位置と強度の関係を求めると、正規化した強度の交点が、界面に相当する位置となる。
【0035】
光軸(Z軸)方向の分解能を向上させる要因が3つある。ひとつは、SHGが電界強度の2乗に比例して出力することである。従って、レンズで形成された光強度に対し、2乗特性でSHG出力が発生するので、光軸方向に対して分解能が向上する。
もう1つが、Z軸偏光子を用いたことに起因するものである。図8に開口数(NA)と偏光のZ軸成分との関係を示す。図8は、NAが小さいと偏光のZ軸成分が小さくなることを示している。この理由は、ビームが集光しないと、十分なX,Y軸成分の相殺が起こらないことを意味している。この考えを基本波の空間的な強度分布に対し適用すると、集光点では偏光成分が強くなるが、集光点から外れるにつれて偏光成分が弱くなり、SHG光への変換が抑えられる。以上の関係を図7に示している。
【0036】
Z軸方向の分解能を向上させるには、見かけ上のNAを大きくすることである。それには、ビームの中心をスリット等で覆うことにより実現できる。すなわち、波形整形部の虹彩絞り25のかわりに、図9に示すような、ドーナツ状のスリットを入れることである。
【0037】
前記観察対象物の照射に用いる対物レンズは、基本波に対する収差を抑えた設計がされていることが、Z軸方向の分解能を向上させる上で必要となる。また、SHG光の検出感度を向上させるには、ARコートの設計領域を400−600nmの範囲にする必要がある。ARコートを400−1200nmの範囲までカバーすることは、光学上不可能であるので、400−600nmの領域を優先させることになる。この場合、800−1200nmの範囲の透過特性が犠牲となるが、基本波照射部のレーザの出力は高く、減衰フィルタで落としているレベルであるため、ARコートによる透過率の低下を十分カバーすることができる。
【0038】
本装置によるライフタイムの測定は、次のようなものである。前記観察対象物にキャリアを生成するための励起光を照射して、キャリアを発生させる。すると、このキャリアにより発生した電界により、有機材料が歪み、非線形成分が発生する。この非線形成分は、励起光を遮断したあとも、キャリアが消滅しない限り保持されているので、基本波を観察対象物に照射し、そこから発生するSHG光を検出することにより測定することができる。したがって、時間軸に対しこの操作を行うことにより、キャリアの消滅過程を測定することができ、そこから、ライフタイムを測定することができる。
【0039】
前記観察対象物は、たとえば、太陽電池の場合、たとえばP型材料のペンタセンとN型材料のC60で構成されることになる。これらはヘテロ接合を構成するため、ホールの消滅過程と電子の消滅過程は異なると考えられる。SHG光による検出手段は、基本波を選択することにより、材料固有の電界を捉えているため、前記、キャリア毎の消滅過程を捉えることができる。すなわち、固有波長毎のライフタイムを測定することにより、電子、ホールそれぞれのライフタイムの測定が可能である。
【発明の効果】
【0040】
本発明によれば、有機デバイスの動的特性である注入、蓄積、移動、発生、消滅についてライフタイムで捉えることができ、かつ、材料の違いを利用した消滅過程の違いも捉えることができる。このことは、界面に対する改良、改善の手段を見直す手法を、材料、構造、プロセスの多方面から検討するための手段を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明に係る検出装置の構成の一例を示す図である。
【図2】本発明におけるZ軸偏光子の3つの形成方法を示す図である。 (a) フォトニック結晶によるもの (b) 液晶によるもの (c) コニカルブリュスタープリズムを用いたもの
【図3】フォトニック結晶によるZ軸偏光子の消光比特性を示す図である。
【図4】本発明による波形整形部の構成の一例を示す図である。
【図5】本発明における波長変換器の出力特性を示す図である。
【図6】本発明における界面位置の特定方法を説明するための図である。
【図7】本発明におけるZ軸分解能の解説図である。
【図8】本発明におけるNAと偏光のZ軸成分との関係を示す図である。
【図9】本発明におけるスリットパターンを示す図である。
【図10】本発明における波形整形部の構成例を示す図である。
【図11】本発明におけるZ軸偏光部を説明するための図である。 (a) Z軸偏光部の構成を示す図 (b) 偏光板がない場合のビーム断面を示す図 (c) 偏光板通過後のビーム断面を示す図
【図12】本発明における検出部の構成例を示す図である。
【図13】本発明におけるフィルタの仕様例を示す図である。
【図14】本発明における処理部の動作タイミングを示す図である。
【図15】本発明における波長掃引を示す図である。
【図16】固有波長におけるSHG光2乗特性を説明するための図である。
【図17】従来の検出装置の構成を示す図である。
【図18】従来のTOF法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0042】
図1に示すように、SHG強度分布取得装置100は、レーザ発振器(光源)1、波長変換器2、波形整形部52、反射ミラーRM、減衰フィルタ3、偏光板4、Z軸偏光部53、ローパスフィルタ5、スライド型反射ミラーRM’、対物レンズOL、励起光源(励起照射部)36を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、有機太陽電池(観察対象物)が載置されるステージを有する(図示せず)。また、SHG強度分布取得装置100は、スライド型反射ミラーRM’、バンドパスフィルタ14、14’、光電子増倍管15を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、レンズ17、撮像装置18を有する。また、SHG強度分布取得装置100は、制御信号出力部30を有する。
【0043】
SHG強度分布取得装置100は、励起光により有機太陽電池に蓄積されたキャリアに基づいて誘起された電界に対し、レーザ発振器1によって励起され波長変換器2で波長変換されたレーザ光(基本波)を有機太陽電池に照射し、有機太陽電池にて生成された光第2次高調波を光電子増倍管15で検出する。処理部16は、励起光源36のON/OFF制御をパルス信号S1で行った後、スイッチ素子21にパルス信号S3を出力する時点、パルス信号S4で光電子増倍管15のゲートを制御する時間、パルス信号S5で積分器34を制御し、データをサンプリングする時間を制御する。これによって、励起光源36の遮断後の、励起光源36により誘起されたキャリアの有機太陽電池内での経時変化を前記、パルス信号S1とパルス信号S3,S4,S5のペアの時間間隔を可変することにより捉えることができる。
SHG強度分布取得装置100を用いて、有機太陽電池の光軸方向の位置を精密に変更することにより、有機太陽電池のキャリアの蓄積に基づく電界に対応するSHG出力強度とその減衰時間の関係を導くことができる。
【0044】
レーザ発振器1は、フラッシュランプ(励起光源)19、ロッド20、スイッチ素子(スイッチ部)21、反射ミラーM1,M2,THG(Third Harmonic Generation)結晶22を有する。レーザ発振器1はいわゆる固体レーザ装置であって、Qスイッチ動作し、所定のパルス幅のレーザ光(基本光もしくは基本波)を出力する。レーザ発振器1からは、355nmの波長のレーザ光が出力される。レーザ発振器1は、光源であるとともに、照射部として機能する。
【0045】
フラッシュランプ19は、ポンピング用の励起光源である。ロッド20は、Nd:YAG(レーザ媒質)がドープされた母体である。ロッド20の一方に反射ミラーM1が配置され、ロッド20の他方には反射ミラーM2が配置される。ロッド20、反射ミラーM1,M2により、共振器が構成される。スイッチ素子21はロッド120と反射ミラーM1との間に配置される。
【0046】
フラッシュランプ19は、制御信号出力部30からハイレベルのパルス信号(制御信号)S2が入力されたとき励起光を出力する。ロッド20にドープされたNd:YAGは、フラッシュランプ19からポンピングされた励起光により励起光となる。Nd:YAGは、励起状態から基底状態になるとき光を放出する。ロッド20からの出射光は、反射ミラーM1と反射ミラーM2との間で共振し、励起状態にあるNd:YAGは誘導放出される。
スイッチ素子21は、電気光学結晶であって、電圧印加後に、レーザ光(1064nm)に対する透明度が高くなる。つまり、スイッチ素子21は、電圧印加時にレーザ光に対する透明度が高くなり。電圧無印加時に対して不透明となる。ここでは、制御信号出力部30からのパルス信号(制御信号)S3がハイレベルの間、スイッチ素子21はレーザ光に対する透明度が高くなる。スイッチ素子21を制御することによって、レーザ発振器1は所定のパルス幅のレーザ光(基本光又は基本波)を出力する。
【0047】
波長変換器2は、光学結晶を用いて、レーザ発振器1から出射されたレーザ光の波長を変換する。すなわち、レーザ光の波長は355nmから800−1120nmに変換される。
減衰フィルタ3はレーザ光の強度を調整するための部材である。観察対象物である有機太陽電池は有機材料である。したがって、有機太陽電池自体が照射されたレーザ光によって物理的に破壊されないようにレーザ光の強度を減衰させている。
【0048】
図10に波形整形部52の構成を示す。波長変換部2の光は直径5mm程度の平行ビーム形状をしている。したがって、虹彩絞り25により、5mmの径に光を絞り、減衰フィルタ3、回転制御板26に取り付けられている減衰フィルタ3を通して、凸レンズ37でビーム径を絞り、凹レンズ38で平行ビームとして、対物レンズOLの口径にあわせて、送出している。
基本波の掃引範囲は800nm−1200nmであるため、レンズ37,38の焦点が変動する。これを補正するため、凹レンズ38をX−ステージ31に搭載し、その位置を基本波の波長と連動して駆動させることにより、焦点位置補正を行っている。
【0049】
図11は、Z軸偏光子27とその調整系から成るZ軸偏光部53を示す。Z軸偏光はその原理から、X,Y偏光を相殺して抽出するものであるため、ビーム位置とZ軸偏光子の位置を一致させる必要がある。この操作を図11(a)で示す構成で行っている。Z軸偏光子27を通過した光はスライド式反射ミラーRM’で、減衰フィルタ3、偏光板4を通して、撮像装置18に導かれる。偏光板4を通さない光は図11(b)に示す円形のビームとなっているが、偏光板4を通すと、図11(c)に示すようなバタフライ形となる。この形が対称になるようにXYステージ28を動かし、調整する。
図11に示す調整系は、前述の波形整形の焦点補正にも用いる。この場合、図11(b)が得られるので、このビームが一番シャープになる位置をX−ステージ31を駆動して調整し、この位置を記憶しておき、基本波の波長とX−ステージ31の記憶位置を連動させて焦点補正を行う。前記の補正を行った後は、スライド型反射ミラーRM’を動かし、ビームを通過させる。
【0050】
図12に検出部の構成例を示す。800−1200nmの基本波はローパスフィルタ5、ダイクロックミラー35を通り、蛇腹を通って、対物レンズOLに入る。蛇腹は、対物レンズOLの可動範囲を確保し、かつ、検出部を不動とするためである。
SHG光はダイクロックミラー35で反射し、2種類のバンドパスフィルタ14、14’を通って、光電子増倍管(フォトマル)15へ導かれる。405nmの励起光はコリメータレンズ17を通り、バンドパスフィルタ14’で反射され、ダイクロックミラー35で反射され、対物レンズOLに入射する。
撮像装置18では、スライド型反射ミラーRM’で反射された光を観察する。白色光は、スライドハーフミラー(図示せず)から光を入射する。
【0051】
図13にフィルタの仕様例を示す。ローパスフィルタ5は、400−600nmの範囲の透過率は1×10−6以下が確保され、この光がダイクロックミラー35で反射されると、1×10−8以下の透過率となるため、検出部への影響は少ないと考えられる。ダイクロックミラー35は、760−1200nmの範囲で95%以上の透過率が確保され、420−660nmの範囲で98%以上の反射率が確保されている。励起光は405nmの光を利用する設計となっているが、フィルタ構成を変えることで、680nmの光源に替えることも可能である。バンドパスフィルタ14の目的は、420−600nmのSHG光を透過させ、800−1200nmの基本光を遮断するもので、レーザパワーを500mWと仮定した場合、0.3nWレベルまでブロックする性能を確保している。励起光は405nmのレーザ光を用いており、その出力は約3mWに設定している。この場合、光電子増倍管の出力には、0.5nW以下の出力が現れる。このような構成によるSHG光の透過率は420nm−600nmの範囲で、420nm−425nmの75%を除き、80%以上が確保される。
【0052】
対物レンズOLの精密位置制御は、Zステージ39とピエゾステージ(ピエゾアクチュエータの一実施形態)29の組み合わせで行っている。Zステージは、神津精機株式会社製自動ZステージZA07A-X1-Rを用いており、その精度は最小分解能0.25μmで、±10mmの可動範囲を有している。ピエゾステージは対物レンズ専用のものを用い、可動範囲は20μm、分解能±5nmである。この組み合わせにより、目的とする分解能が確保されている。
【0053】
波形整形は、図10に示す構成で行っている。波長変換部2からの光を虹彩絞り25に入れる。この虹彩絞り25は、1−10mmまで寸法を変えることができ、手動で5mmに設定している。その後、減衰フィルタ3で出力を落とし、回転制御板26に取り付けられた減衰フィルタ3を回転させて、対物レンズOLから出射される出力の均一化をはかり、絞られたビームを凸レンズ37と凹レンズ38を組み合わせて、対物レンズOLの開口径3.0mmにあわせている。
凸レンズ37、凹レンズ38は、入射光の波長が800−1200nmの範囲で変化すると、その焦点が変化するため、コリメート光とはならなくなる。これを補正するため、凹レンズ38をX−ステージ31上に搭載し、前記(段落0049)の方法により補正位置を検出し、この補正位置と、波長変換器2に取り付けられたアクチュエータ23を連動させて、焦点距離補正を行っている。
【0054】
対物レンズOLの焦点補正は次のように行っている。前記の波形整形部で焦点補正を行い、それを実行した後、コリメート光を対物レンズOLに入れ、対物レンズOLの下に、受光径(28μmφ)の小さな検出器(図示せず)を置き、まず、800nmの波長で、その出力が最大になる出力を検出する。対物レンズOLには100倍のレンズを用い、その視野範囲は0.22mmであるため、対物レンズOLの焦点位置を十分検出できるものである。その後、ピエゾステージ29を駆動させ、波長を変えるごとに変化するピーク位置を捉え、その値と波長との関係を表にし、位置補正ができるようにした。
【0055】
有機デバイスに用いられる材料では、材料固有のSHG光を発生する。したがって、発生する固有のSHG光の波長に合わせて基本波を入射すれば、レーザ発振器1の分解能である1nmの精度で、SHG光を発生させることができる。このような分解能を有していれば、充分、他の材料との分離が可能である。このため、本装置では、この固有のSHG光を特定する機能が設けられている。
C60における測定結果を図16に示す。基本波を800−1200nmの間掃引して、SHG光を測定し、その波長依存性から固有波長を特定することができる。得られた固有波長がSHG光であるか否かの検証は、次のようにして行うことができる。回転制御板26を駆動して、固有波長に対し基本波の出力を変化させる。すると、SHG光は上記(2)式の特性を有しているため、出力の2乗に比例する。これを確認することにより、SHG光であることを確定することができる。
【0056】
前記のように、各材料の固有波長が特定できると、その波長を利用して、有機デバイスの界面の位置を特定することができる。まず、対物レンズOLと撮像装置18の試料の表面にピントを合わせる。このようにすると、有機デバイスの設計値はあらかじめわかっているため、検出系に切り替えた後、対物レンズOLの位置をピエゾステージ29を用いて下面に設定し、徐々に上面に移動させながら、固有波長のSHG光を検出することができる。PN接合の場合には、この動作を2度行い、N側固有波長とP側固有波長の各出力が検出された後、それぞれのピーク出力を1として正規化を行う。その出力結果〔曲線〕が交差する点が、界面位置となる(図6参照)。
このような方法により、ピエゾステージ29と固有波長を利用して、界面を多く含む情報を取得することができる。
【0057】
本装置の光軸方向の分解能を向上させるには、焦点深度を浅くする、すなわち、焦点距離を短くし、NAを大きくすることである。しかし、試料の寸法の制約を受けるので、NAをやみくもに大きくすることはできない。試料のカバーガラスを0.5mm、デバイスの厚さを0.2−0.3mmとした場合、少なくとも0.2mmの空間が必要であるため、焦点深度として1.0mm程度必要となる。この焦点深度における可能なNAは0.9が限度である。
本装置の光軸方向の分解能を決定する要因は3つある。1つは、SHG光を検出していることであり、(2)式にあるように、この出力が光強度の2乗に比例していることである。したがって、光強度が0.7になると、SHG光は0.5になり分解能が向上する。
もう1つの要素は、(1)式に示しているように、試料に印加される電界強度である。すなわち、Z軸偏光子によって発生する電界強度に依存する。この強度は、図8に示すように、NAに依存している。この計算値は、集光位置での光強度を示しているため、同じNAであっても、焦点からずれるとNAが低下したのと同じ効果をもたらすものである。したがって、焦点からずれた位置では、光軸方向の電界が弱くなるため、SHG光の光強度は低下したことになる。この効果により分解能が向上することになる。
3つめは、見かけ上の焦点深度を浅くする方法である。それは、波長変換器2より出力されるレーザ光の中心部をスリットで覆い、通過するドーナツ形状の光を集光して、焦点を浅くする方法である。これによっても分解能は向上する。
以上の3つの方法を用いて分解能の向上を図っている。
【0058】
前記方法で、分解能を向上させるには、基本光の集光特性が重要であることがわかる。レンズの集光特性は収差で決まるが、収差は波長依存性を有している。したがって、どの波長範囲でレンズの収差を設計するかが重要である。現在の顕微鏡は、可視光範囲にあわせたもの、あるいは近赤外にあわせたもの等が市販されている。本装置では、基本波については、収差を少なくする必要があり、可視光については、透過率をできるだけ上げる必要がある。SHG光の感度を向上させるためである。
理想的には、ARコートは400−1200nmの全領域に対し、高い性能を有することが要求されるが、そのようなことは、光学的に不可能である。したがって、ARコートは400−600nmに合わせ、収差は800−1200nmにあわせて、レンズを設計することが要求される。
【0059】
ライフタイムを測定するには、次のような手順が必要となる。まず、観察対象物の表面を撮像装置18で観察し、対物レンズOLの位置を観察対象物の表面に設定する。次に、有機材料の存在する位置まで対物レンズOLを下げ、基本波を掃引してそれぞれの固有波長を特定する。固有波長を特定した後は、その固有波長を用い、ピエゾステージ29を位置掃引して界面位置の特定を行う。界面位置が特定された後、設計値から割り出した位置に対物レンズOLを移動し、そこで、固有波長を用いて、SHG光の時間計測を行うことになる。制御信号は、2つの群に分かれる。励起光を制御する信号S1とレーザ光を制御する信号S2,S3、光電子増倍管、積分器をそれぞれ制御する信号S4,S5とである。信号S2,S3,S4,S5は連動して制御することになる。
レーザ発振器1はQスイッチを駆動させた後、トリガ信号を入力すると、そこから一定時間経過後にレーザ発振が起こる。この時間は、装置に固有の値を持っている。信号S2を投入後、245μsで、蓄積が起こり、そこから、4.38μs後にトリガ信号を送ると、その後、100ns後にレーザが発振する。ゲート付光電子増倍管15は、ゲートトリガをONさせたあと、215ns後に、検出感度が最大となる。レーザ光のパルス幅は数nsであるため、このタイミングにあわせなければ、データを取得することができない。また、積分器34を駆動させるには、5ns必要となる。したがって、レーザの駆動から積分までのタイミングは、図14に示すように、S2,S3,S4,S5は同期を取りながら、上記関係を保ち、励起光と、m[ns]刻みでn回の計測を行い、その結果から、減衰時定数を計測することで、ライフタイムを計測することができる。
【0060】
異なる材料固有のSHG光を計測することにより、電子ならびに正孔のライフタイムを計測することができる。ヘテロ接合を形成しており、材料が異なるため、界面密度も異なってくると思われる。したがって、キャリアの消滅が電子と正孔において異なると考えられ、それらのデータは、有機デバイスのバンド状態を調べる上で、重要な情報を与えると考えられる。
【実施例】
【0061】
図1に示す検出装置100を構成した。レーザ発振器1、波長変換器2は、米国コンテニュアム社製OPO励起用パルスYAGレーザと光パラメトリック発振器を用い、自動的に波長可変できるように、手動のアクチュエータを取りはずし、自動のアクチュエータ23と制御部24を取り付けた。これにより、基本波の波長が自動で可変できるようにした。
波形整形部52は、虹彩絞り25を取り付け、回転制御板26に7種類の減衰フィルタ3を取り付け、8種類の減衰量を制御できるようにし、これと、固定の減衰フィルタ3をあわせて、自動で減衰制御が行えるようにした。その出力に凸レンズ37と凹レンズ38を通し、ビーム径を対物レンズOLの開口径3mmにあわせた。凹レンズ38は、X−ステージ31上に搭載され、自動でその位置を動かし、焦点位置補正ができるようになっている。
【0062】
波長整形部52を通過した光は反射ミラーRMを通して、Z軸偏光子27に入れられ、このZ軸偏光子27の位置決めは、XYステージ28を駆動し、スライド型反射ミラーRM’を通して、減衰フィルタ3、偏光板4を通して撮像装置18に導かれ、図11(c)に示すようなバタフライ形状が対称になるようにZ軸偏光子27の位置を調整した。その後、スライド型反射ミラーRM’を駆動してダイクロックミラー35を通して、対物レンズOLに入り、観察対象物に基本波が照射される。
【0063】
対物レンズOLのNAは0.9で、ワーキングディスタンスは1.0mmである。レンズには補正管がつけられ、カバーガラスの屈折率の補正ができるようになっている。
【0064】
この対物レンズOLは、ピエゾステージ29に搭載され、ピエゾステージ29で、可動範囲20μm、分解能5nmが確保されている。このピエゾステージ29はZステージ39に搭載され、駆動範囲20mm、分解能0,5μmが確保されている。この可動部と検出部は蛇腹(図示せず)で結合され、外光から遮断されている。
【0065】
基本波によって発生したSHG光は、対物レンズOLで集光され、ダイクロックミラー35で反射されて、検出部に導かれる。検出部は、バンドパスフィルタ14と45度傾けられたバンドパスフィルタ14’、スライド型反射ミラーRM’を通って光電子増倍管15に導かれ、アンプ(図示せず)を通して積分器34に伝達され、データとして出力される。
【0066】
固有波長の特定は、次のようにして行った。まず、波長を掃引してSHG光を捉え、次にその波長で、回転制御板26を駆動して、基本波の出力を変動させ、SHG光が2乗特性にのるか否かを確認し、2乗特性に乗っている場合に、固有波長とした。図15に固有波長の一例を示す。本データは、C60のもので、500nmのところにある。ペンタセンの場合には430nmの位置に存在している。これらの固有波長を利用することにより、特定の領域の有機デバイスの動的特性を取得することができる。
【0067】
次に、有機太陽電池を例にとり、その界面の特定方法を示す。測定例では、電極基板上に、C60、100nm、ペンタセン100nm、ITO付カバーガラス500μmのものを用いている。まず、試料を装置にセットし、白色光源32を照らし、Zステージ39を駆動しながら、撮像装置18で太陽電池表面を観察し、ピントがあった時点でZステージ39を止める。つぎに、カバーガラスの厚さが500μmであるため、Zステージ39を下げ、補正管を動かし、そこでのピントが得られるようにする。
次に、ピエゾステージで対物レンズOLを2μm下げ、そこから500nmの基本波を出力し、C60の出力を測定しながら、3μm上昇させる。次にもう一度、3μm下げ、今度は430nmの基本波を出力し、3μm上昇させ、同一の測定を行う。次に、それぞれのデータを正規化し、その交差点から界面の位置を特定する。このような操作で特定されたC60の厚さは110nmであった。
【0068】
ライフタイムの測定手順は次のように行われる。
制御信号出力部30からは次のような信号が出力される。信号S1からスタート信号が出力され、励起光が“ON”となり、その信号が249.47μsで切断される。信号S2はS1信号の立ち上がりでトリガされ、245μs後に、ゲート信号の受け入れ可能状態となる。信号S3は249.38μs後にトリガされるので、その後、100ns後に基本波が出力される。したがって、励起光が切断されてから、10ns後に基本波が出力されたことになる。光電子増倍管15のゲート信号は、基本波出力前、215nsの位置でS4が出力される。その手前、10nsの位置で積分器駆動用信号S5が出力され、SHG光が取り込まれることになる。次のステップでは、S1に対し、S2,S3,S4,S5が10ns遅延されて検出される。これを逐次行い、出力が励起しない状態と同一となる時間まで行われる。設定した10nsは、当然変更可能で、10nsから10ms程度まで設定することができる。
【0069】
上記の構成で、装置を駆動し、ペンタセンならびにC60で構成された太陽電池の測定を行ったところ、ペンタセンのライフタイムとして4×10−4sec、C60のライフタイムとして、1.0×10−3secの値を得ることができた。これらの値は、これまで測定されていない値であるため、その信頼性については、今後、つめていかなければならないが、いずれにしろ、本検出装置でこのようなパラメータを測定できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明は、有機半導体の動的特性である注入、蓄積、移動、発生、消滅過程を検出できる装置である。したがって、その応用範囲はエレクトロルミネッセンス、光起電力、キャリア輸送デバイスに応用でき、特に、発生、消滅過程の解析に応用できるため、エレクトロルミネッセンスの寿命の解析、光起電力の光電変換効率の解析、有機半導体の界面移動度に対する知見等、その応用範囲は広範囲にわたると考えられる。
特に、太陽電池の光電効率を向上させるには、構造、材料、プロセスからの検討が必要であるが、これまで、カットアンドトライで研究を進めていたものが、本検出装置で得られる情報が改良に当たっての大きな指標を与えるものと期待される。
【符号の説明】
【0071】
1 レーザ発振器
2 波長変換器
3 減衰フィルタ
4 偏光板
5 ローパスフィルタ
11 ステージ
12 バンドパスフィルタ
13 偏光板
14 バンドパスフィルタ
14’ バンドパスフィルタ
15 光電子増倍管(PMT)
16 処理部
17 レンズ
18 撮像装置
19 フラッシュランプ
20 ロッド
21 スイッチ素子
22 結晶
23 アクチュエータ
24 制御部
25 虹彩絞り
26 回転制御板
27 Z軸偏光子
28 XYステージ
29 ピエゾアクチュエータ(ピエゾステージ)
30 制御信号出力部
31 X−ステージ
32 白色光源
33 試料
34 積分器
35 ダイクロックミラー
36 励起光源
37 凸レンズ
38 凹レンズ
39 Zステージ
40 処理部
52 波形整形部
53 Z軸偏光部
100 検出装置
OL 対物レンズ
M1 反射ミラー
M2 反射ミラー
HM1 ハーフミラー
HM2 ハーフミラー
RM 反射ミラー
RM’ スライド型反射ミラー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
観察対象物に設けられた電極間における電界分布またはキャリア分布を高次高調波に基づいて検出する検出装置であって、該検出装置は、
前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、
前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、
前記観察対象物にキャリアを発生させるための励起光を照射する励起照射部と、
前記励起照射部の第1信号に基づき、前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第2信号で照射させ、第3信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部を備え、
前記制御信号出力部は、前記第1信号の出力時点と前記第2及び第3の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成されることを特徴とする、検出装置。
【請求項2】
前記照射部には、偏光を光軸(Z軸)方向に整列させるための偏光子(Z軸偏光子)を備え、これにより、前記観察対象物の光軸方向の電圧分布又はキャリアに応じて生成された前記高次高調波を検出する、請求項1に記載の検出装置。
【請求項3】
前記Z軸偏光子は、1若しくは複数の液晶、1若しくは複数のフォトニック結晶で構成された偏光子、1若しくは複数のコニカルブリュスタープリズム構造を用いて構成された偏光子、又はポーラコアを多角形に張り合わせX−Y成分を相殺する構造を有するZ軸偏光子のいずれかであることを特徴とする請求項2に記載の検出装置。
【請求項4】
(励起光の導入構成)
前記励起光は、前記検出部側から導入し、前記検出部は、前記高次高調波を通過させ、前記基本波、前記励起光を遮断する1または複数組のフィルタを、前記観察対象物と前記検出部との間に配置することにより、キャリア励起後のキャリアの消滅を測定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の検出装置。
【請求項5】
前記照射部と前記観察対象物の間には、波形整形部と対物レンズが配置され、該波形整形部で、該対物レンズの口径に適合するビーム径に整形され、前記対物レンズはZステージとピエゾアクチュエータで構成された複合ステージ上に搭載され、Z軸方向に精密に制御することにより、特定位置に依存したSHG光出力を検出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の検出装置。
【請求項6】
前記波形整形部は、絞り若しくはスリット、減衰フィルタ、凸レンズ及び凹レンズで構成され、該凹レンズは、Xステージ上に搭載され、前記照射部の波長変更に伴い、レンズ系で発生する波長に基づく焦点距離の変動を前記Xステージを連動させて補正する、請求項5に記載の検出装置。
【請求項7】
前記対物レンズで発生する波長可変による焦点距離の変化を、波長とピエゾアクチュエータを連動させることで補正することを特徴とする請求項5又は6に記載の検出装置。
【請求項8】
前記基本波の出力強度を補正するため、前記波形整形部に可変減衰機能を有する手段を配置し、前記基本波の照射部の出力変動、前記対物レンズの透過率特性、前記照射部から前記対物レンズまでの間の各種フィルタを含め、設定範囲内の基本波の出力強度を均一化したことを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の検出装置。
【請求項9】
前記高次高調波の出力を検出するに当たり、前記対物レンズのARコート、前記対物レンズから光電子増倍管までの間に設定された各種フィルタの波長特性に対し、感度の均一化補正が施されていることを特徴とする請求項5に記載の検出装置。
【請求項10】
前記照射部は可変波長レーザで構成され、共振結晶を手動または自動で駆動し、発生する基本波を前記観察対象物に照射し、波長スペクトルを掃引することにより、前記観察対象物を構成する材料固有の高次高調波を同定する機能を有することを特徴とする請求項1に記載の検出装置。
【請求項11】
前記材料固有の高次高調波を特定した後、それぞれの材料に対応する基本波を設定し、この基本波を照射しながら、光軸方向の位置に精密に移動させ、前記観察対象物から発生する高次高調波の位置依存性を測定し、その測定を、異なる材料に適用し、それぞれの特性を正規化し、その特性の交わる点から、前記観察対象物の材料間の界面位置を特定することを特徴とする請求項8に記載の検出装置。
【請求項12】
前記観察対象物から発生する高次高調波の発生領域を浅くするため、対物レンズの開口数を元の値よりも大きくし、偏光面のX,Y軸成分を低減したことを特徴とする請求項5に記載の検出装置。
【請求項13】
前記観察対象物から発生する高次高調波の発生領域を浅くするため、前記波形整形部の絞り部分にドーナツ型のスリットを取り付け、前記対物レンズのビームウエストの範囲を浅くしたことを特徴とする請求項5に記載の検出装置。
【請求項14】
前記観察対象物への照射に用いる前記対物レンズは、収差補正の対象範囲を800−1200nmに設計し、ARコートは400−600nmを対象に成膜することにより、基本波のぼけを防ぎ、高次高調波の検出感度を向上させたことを特徴とする請求項9に記載の検出装置。
【請求項15】
前記観察対象物にキャリアを生成する前記励起照射部から励起光を照射、停射した後、前記制御信号出力部との時間を制御しながら逐次観察し、そのデータから減衰時定数を算出することにより、材料のキャリアのライフタイムを測定することを特徴とする請求項1に記載の検出装置。
【請求項16】
前記観察対象物の材料固有の基本波を選択し、その基本波を用いることにより、前記観察対象物の材料固有領域のそれぞれのキャリアのライフタイムを測定することを特徴とする請求項1に記載の検出装置。


【図3】
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【図4】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図12】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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【図18】
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【図1】
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【図2】
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【図5】
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【図11】
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【図13】
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【公開番号】特開2012−38805(P2012−38805A)
【公開日】平成24年2月23日(2012.2.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−175396(P2010−175396)
【出願日】平成22年8月4日(2010.8.4)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 掲載年月日:平成22年2月4日 掲載アドレス:http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jz1000215
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成21年度、独立行政法人科学技術振興機構、有機太陽電池用界面電界・寿命評価装置、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(501470603)プレサイスゲージ株式会社 (9)
【出願人】(304021417)国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Fターム(参考)】