光致发光(PL)光谱-完整版
光致发光(PL)光谱583课件
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪
图2 光致发光光谱测量装置示意图
光致发光(PL)光谱583
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
• 光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度）
是表征材料纯度的重要特征参数。
6、少数载流子寿命的测定
光致发光(PL)光谱583
7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样
品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的 不均匀图像。 8、位错等缺陷的研究
光致发光（PL）光谱
光致发光(PL)光谱583
一、光致发光基本原理
• 1. 定义：所谓光致发(Photoluminescence)指的是以光 作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程 中伴随发生的现象
光致发光(PL)光谱583
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光 子有很强的吸收，吸收系数通常超过104cm-1，因此在 材料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产生了大量的 额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载 流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构 复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
光致发光(PL)光谱583
在上述辐射复合机构中，前两种属于本 征机构，后面几种则属于非本征机构。由此 可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结 构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程 的综合反映，因而利用光致发光光谱可以获 得被研究材料的多种本质信息。
光致发光(PL)光谱课件PPT
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图3 CZT晶体在4.2K下典型的PL谱。该PL谱包括四个区域：
（1）近带边区；（2）施主－受主对（DV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的
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中心位于1.1eV的发光峰带。
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图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
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2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
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e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
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在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的 激子，这种运动显然不传输电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合， 其5发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；2021/3/10
5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度
pl光谱和荧光光谱
PL光谱（Photoluminescence Spectroscopy）和荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）在某些情况下可以互换使用，但严格来说它们之间有一些区别。
荧光光谱：
荧光光谱通常是指材料吸收了特定波长的光子后，电子从低能级跃迁到高能级，在返回低能级时释放出比入射光更长波长的光的过程。
这种现象是由于物质内部能量状态的变化引起的，并且需要一个外部光源来激发。
荧光光谱仪用于测量激发光谱、发射光谱、峰位、峰强度等信息，这些信息可以帮助了解分子或晶体结构以及其动力学性质。
PL光谱：
PL光谱则是指“光致发光”（Photoluminescence），它也是通过照射待测物体产生激发态粒子，然后激发态粒子自发地回到基态并释放出光子的过程。
然而，术语PL光谱常常特指半导体材料中的这一过程，特别是在研究半导体中缺陷和载流子行为的时候。
在实践中，两者之间的主要区别在于应用领域和技术细节。
荧光光谱更多地应用于生物医学、化学等领域，而PL光谱则常用于物理学和材料科学，特别是对于半导体的研究。
然而，这两者的基本物理原理是一样的：都是基于受激辐射导致的发光现象。
PLCL光谱
• 分光儀主要設備包括單色器、準直器、感光器、低溫 系統，及一些電子訊號放大器。 • CL影像需要配合電子顯微鏡之掃瞄器，由螢幕上觀察 之。 • 感光器包括感光倍增管，可感測範圍約為250nm~900nm， 及銦砷化鎵感光二極管，可感測範圍約為 800nm~1800nm。也有裝設鍺感光器，用以感測紅外線 範圍之光子訊號。
光譜分析儀器
• 一般有兩組感光器，加裝在掃描式電子顯微鏡之試片 腔周圍，可觀察CL影像和分析光譜。 • CL光譜分析是將光子訊號反射入光導管再經透鏡引導 進單色器加以分光，再由感光器量測其強度。 • 圖為代表性CL光譜儀之光學安排示意圖。
• 光子激發光用雷射光當激發光，所以不用電子顯微鏡。 • 圖為代表性PL光譜儀之光學安排示子激發到 傳導帶中，因而產生電子/電洞對；如果沒有偏壓存在， 電子電洞對會再結合，放出光子，光子能量等於能帶 間隙的能量。 • 常用於檢測具能帶間隙的材料，亦可用於偵測元擴散 情形（密度、大小及分佈）、晶體缺陷（種類、大小 及分佈）和化學鍵結狀態……。
陰極激發光之激發電子源
重要的光譜參數
• 波峰之波長（λpeak）及強度（Ipeak） • 波峰強度降至一半時之波長 • 波峰半高寬 • 這些參數跟試片之缺陷密度、組成、結晶度有關。
固有和非固有激發光
• 電子由高能階轉換到低能階，可能放射出光 子，電子由低能階轉換到高能階，再轉換到 另外的低能階也可能放射出光子。
固有的激發光：原有的固體內部能階轉換而來。 非固有的激發光：由一些雜質或缺陷所引起。
激發光光譜分析
曾樺玲
前言
• 晶體結構：單晶、多晶、非晶質固體 • 晶體之電子能帶結構：電子分佈、電子 密度和能階的占有與能量的函數關係
激發光的種類
pl光致发光光谱测试条件
pl光致发光光谱测试条件一、测试目的光致发光（PL）光谱测试是一种用于研究材料发光特性的重要手段。
通过PL光谱测试，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
本测试条件旨在规范PL光谱测试的实验操作流程，确保测试结果的准确性和可靠性。
二、测试原理光致发光（PL）光谱是材料在吸收光子后，将能量转化为荧光发射的现象。
PL 光谱反映了材料内部能级结构、缺陷和杂质等信息。
通过对PL光谱的分析，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
三、测试条件1. 样品准备（1）样品应具有代表性，能够反映材料的整体性能。
（2）样品应清洁、干燥，无杂质和污染物。
（3）样品尺寸应适中，以便于测试和观察。
2. 测试环境（1）实验室温度应保持在20±5℃。
（2）实验室湿度应保持在50±5%。
（3）实验室应保持清洁、无尘，避免影响测试结果。
3. 光源选择（1）选择合适的激光光源，确保其波长、功率和稳定性满足测试要求。
（2）激光光源的波长范围应覆盖样品发光的主要波段。
4. 样品处理（1）对于固体样品，应将其研磨成粉末或薄片，以便于测试。
（2）对于液体样品，应将其稀释至适当浓度，以便于测试。
5. 测试参数设置（1）设置合适的激发波长和发射波长范围，以便于捕捉样品的PL光谱。
（2）设置合适的扫描速度和步长，以便于获得准确的PL光谱。
6. 数据处理与分析（1）对获得的PL光谱进行去噪、平滑等处理，以提高数据质量。
（2）对PL光谱进行拟合和分析，提取发光峰位、强度等信息。
四、注意事项1. 在进行PL光谱测试前，应对样品进行充分的了解和研究，以便选择合适的测试条件和方法。
2. 在测试过程中，应注意保护眼睛和皮肤，避免长时间暴露在激光光源下。
3. 在数据处理和分析过程中，应注意数据的准确性和可靠性，避免误导实验结果。
光致发光谱
光致发光光谱技术的认识、应用及改进孙奇 2014物理学2015、4、211、光致发光光谱技术的背景介绍在我们周围,光致发光就是一种很普遍的现象。
常用的日光灯就属于光致发光的一种,它就是利用汞蒸气放电产生的紫外光激发涂覆在灯管壁上的发光物质而发出可见光的。
简单地说,光致发光(PL)就是发光材料吸收光子(或电磁波)后,重新辐射发出光(或电磁波)的过程。
这种过程与材料的结构、成分及原子排列等密切相关。
•紫外光、可见光甚至红外辐射都可以作为激发光,引起光致发光。
•所发出的光,根据弛豫时间的不同,可分为荧光、磷光与上转换发光。
从分子电子结构上解释,荧光就是电子从单线态第一激发态返回到基态时释放的光,具有很短的发光寿命(约1~100 ns),而磷光就是电子从三线态第一激发态返回基态时释放的光,具有较长的发光寿命(约0、1~1000ms)。
当系间窜越的速率小于荧光跃迁速率时,激发态全部以荧光形式辐射回到基态,因而只有在低温条件下,才可以检测到磷光发光。
本文中如未特别指出,所介绍的光致发光都属于荧光发光。
图1、光致发光过程中的光子吸收与能量转移过程。
在实验测试中,荧光发光光谱包括激发谱与发射谱两种。
激发谱就是使用不同波长激发光测试发光材料在某一波长处荧光强度的变化情况,即不同波长激发光的相对效率;发射谱则就是在某一固定波长激发光作用下的荧光强度在不同波长处的分布情况,即荧光中不同波长的光成分的相对强度。
一般情况下,光致发光光子的能量小于激发光子的能量(斯托克斯位移),在特定条件下发射光子的能量也可以超过激发光子的能量(反斯托克斯位移)。
由于光致发光(荧光或磷光)的特点就是宽激发窄发射,所以测试时,需要选取一个能反映出所测材料发光效率的激发光波长。
激发光波长的选择一般没有定论,简单而常用的方法有两种:1)激发谱:将荧光发光峰波长固定为发射波长(EM),然后做激发波长(EM)扫描,激发波长范围要小于发射波长。
一般选取激发谱最高峰位置对应的波长作为激发光波长。
光致发光PL光谱教育课件
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发(Photoluminescence)指的是以光 作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程 中伴随发生的现象
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光 子有很强的吸收，吸收系数通常超过104cm-1，因此在 材料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产生了大量的 额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载 流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构 复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
中心位于1.1eV的发光峰带。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 而CdTe和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（A0,X）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 边 区 的 PL 谱 除 此 之 外 ， 还 可 以 看 到 基 态 自 由 激 子 峰 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 （X2）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定
4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性
能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过 光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度 ，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条 件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。
5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度
光致发光光谱
光致发光光谱光致发光光谱（Photoluminescence，简称PL）是指物质在有一定波长激发光照射下，发出更长波长的发光，从而把激发光和发光光结合起来，形成一种特殊的光谱现象。
这种光谱现象不仅可以揭示物质内部电子跃迁过程，而且还可用来探测物质表层的结构特性，为物质结构分析提供重要的技术条件。
1.致发光光学原理光致发光是一种物理现象，它的形成促使数个电子从它们的能级转变到另一个能级，在此过程中，释放出辐射，这种辐射就是光致发光光谱。
首先，激发光照射到物质表面，产生电子从低能级转移到一个更高的能级，即称为有效光激发。
而这些激发后的电子只能在这个能级停留一段很短的时间，然后又返回到原来的能级，并释放出光子，即为发光回复过程。
这些发出的光子就是光致发光光谱。
2.致发光光谱的应用光致发光光谱具有无损检测的优点，已经在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域发挥着重要作用。
此外，光致发光光谱也可作为非线性光学分析的基础，在非线性增强型激光膜、生物分子识别、荧光对明仪器等研究中也发挥着重要作用。
3.致发光光谱分析技术光致发光分析仪（PL）是一种用于光致发光光谱分析的仪器，它能够实现多种物质表层的结构特性的探测，也能够反映物质内部电子跃迁的过程。
其中，有时间解析光致发光（Time-Resolved PL）和实时光致发光（Real-Time PL）两种分析技术。
时间解析光致发光可以提供物质内部电子跃迁的过程的完整情况，如电子的促迁时间、电子与激发光的相互作用等；实时光致发光则能够更快速、更准确地探测物质表层的结构特性，如晶体结构变化、微结构变化、电子结构变化等。
结尾光致发光光谱是一种特殊的光谱现象，它可以揭示物质内部电子跃迁过程，也可以用来探测物质表层的结构特性。
它已经发挥着重要的作用，在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域。
并且，光致发光分析仪（PL）也可以作为非线性光学分析的基础，运用时间解析PL和实时PL来探测物质内部电子跃迁的过程及表层结构特性。