8、半导体材料吸收光谱测试分析
半导体材料的光谱分析
（3） 电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的
吸收光谱在紫外—可见光区，紫外-可见光谱或分子的电子光 谱；
高
化学键断裂
电子跃迁
射线
紫外
UV
频 率 va 能 量a
振动跃迁
低
转动跃迁 原子核自转 电子自转
红外
微波
无线 电波
射 频 区
IR
NMR
长λmax。
②不同浓度的同一种物
质，其吸收曲线形状相似λmax
不变。而对于不同物质，它们
的吸收曲线形状和λmax则不同。
吸收曲线的特点2
③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性 分析的依据之一。
④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有
差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定
c =λν =ν/σ（波动性） E = hν = h c /λ（微粒性）
c ：光速=2.998×1010cm·s；
λ：波长；ν：频率；σ：波数 ；E ：能量；
h ：普朗克常数＝6.624×10-34J·s
电磁辐射具有波动性和微粒性；
光学分析分类
光谱法——基于物质与辐射能作用时，分子或原 子发生能级跃迁而产生的发射、吸收的波长或强度 进行分析的方法。通常需要测定试样的光谱，由于 其光谱的产生是基于物质原子或分子的特定能级的 跃迁所产生的，因此根据其特征光谱的波长可进行 定性分析；同时，光谱的强度又与物质的含量有 关，因而可进行定量分析。
I0 入射光
It 透过光
吸光度A (Absorbance）
物质颜色和吸收光颜色的关系
绿
黄
青
半导体材料光谱
半导体材料的光谱研究涉及到材料对不同波长的光的吸收、发射和散射等过程。
这些光谱信息对于了解半导体材料的电子结构、能带结构、光学性质等具有重要意义。
以下是半导体材料光谱研究的一些关键方面：1. 吸收光谱：▪基本原理：半导体材料对不同能量的光有不同的吸收特性。
吸收光谱研究揭示了材料的能带结构，电子能级的变化，以及在光照条件下电子的激发状态。
▪实验方法：吸收光谱通常通过透射或反射测量，通过记录不同波长下的吸收强度来获得吸收光谱。
2. 发射光谱：▪基本原理：半导体材料在受到激发（如光激发或电激发）后可能发射光，产生发射光谱。
这反映了材料的能带结构和电子激发态的退激发过程。
▪实验方法：发射光谱通常通过记录材料发射的光谱来获得，可通过荧光光谱仪等设备进行测量。
3. 拉曼光谱：▪基本原理：拉曼光谱是通过测量材料散射光的频率变化来研究分子或晶体结构的一种技术。
在半导体中，可以用于研究声子振动和电子-声子相互作用。
▪实验方法：拉曼光谱实验通常使用激光光源，通过测量散射光的频率变化来获取拉曼光谱信息。
4. 光电子能谱：▪基本原理：光电子能谱研究材料中电子的能级分布和激发态。
当光子击中材料时，可以将束缚态电子激发到导带，产生光电子。
▪实验方法：光电子能谱实验使用光电子能谱仪，通过测量光电子的动能和强度来研究材料的电子结构。
5. 吸收光谱与激子态：▪基本原理：在半导体中，电子和空穴可能形成激子，如激子和束缚激子。
吸收光谱研究可以揭示这些激子态的形成和性质。
▪实验方法：通过调制吸收光谱，可以研究激子的能级和相互作用。
这些光谱研究为半导体材料的设计、制备和应用提供了关键的信息。
通过深入了解光谱特性，科学家和工程师可以更好地理解材料的性质，优化器件性能，以及开发新型半导体材料。
半导体激光器光学特性测量实验报告
半导体激光器光学特性测量实验学号：姓名：班级：日期：【摘要】激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。
本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。
【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。
光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。
受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。
直到1960年激光才被首次成功制造（红宝石激光器）。
半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功发明，在1970年实现室温下连续输出。
半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统，还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气检测和同位素分离等；同时半导体激光器成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。
半导体激光器主要发展方向有两类，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性，利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器，测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度，以及光谱特性，并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用，同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。
半导体器件中的深度缺陷检测和测量
半导体器件中的深度缺陷检测和测量半导体器件是一种重要的电子元器件，广泛应用于现代电子技术中。
半导体器件的制造需要考虑到许多参数，其中最重要的是电子能级。
电子能级对半导体器件的性能和特性具有很大影响，如果存在深度缺陷，则会导致半导体器件的性能下降或完全失效。
因此，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中的一项关键技术。
深度缺陷指的是在半导体材料中存在的能级深的空穴或电子态。
它们的存在会影响半导体器件的性能和可靠性。
因此，深度缺陷的检测和测量是半导体器件的关键过程。
目前，许多成熟的深度缺陷检测和测量技术已广泛应用于半导体器件制造中。
首先，注入电荷法是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法利用瞬态电流的反应来测量深度缺陷。
它需要在测试中施加电荷，并测量在电荷注入期间电流的变化。
根据这些数据，可以计算出存在于被测材料中的缺陷浓度和深度分布。
此外，激光光谱学也是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法是通过激光光谱法来测量半导体材料中的光吸收谱。
在这种方法中，激光产生的光会与半导体材料相互作用，激发其中的电子和空穴等载流子。
半导体材料吸收了激光光子后，它的运动状态会发生变化，光吸收谱也会随之变化。
通过分析这些变化，可以得出半导体材料中深度缺陷的位置和浓度等信息。
此外，Ti:sapphire激光微打孔技术也是一种常用的深度缺陷检测方法。
这种技术利用激光微打孔技术来破坏半导体材料的结构，然后通过分析微打孔后电流和电压的变化来检测深度缺陷。
这种方法能够检测到非常细微的缺陷，因此非常适合用于半导体器件的制造。
总之，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中非常关键的过程。
目前，众多的深度缺陷检测和测量技术已经成熟应用于半导体器件的制造中，并得到了广泛应用。
对于半导体器件制造过程的控制和质量保证来说，这些技术都具有非常重要的意义。
第八讲 拉曼光谱分析
39
晶粒度影响
利 用 晶粒度 对 LRS散射 效应导致的位移效应，
还可以研究晶粒度的信
息
40
晶粒度的影响
8nm 152 85nm 147
41
新型碳物种的研究
有机碳 无机碳：无定型，石墨，石墨烯，类金刚石，金刚石， C60，碳纳米管，无机碳化物等
42
新型碳物种研究
43
44
45
46
8
拉曼活性
9
10
拉曼光谱参量 1. 峰位: 是电子能级基态的振动态性质的一种反映。以入射光和散射
光波数差表示。峰位的移动与激发光的频率无关.
2.强度:与浓度成正比. 3.退偏比(depolarization ratio): r = I‖ / I提供分子对称性的信息，并有助于谱线的指认. 共振拉曼散射
压力的影响
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量子点粒度影响
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金刚石金属化研究
金刚石特性：硬，化学惰性 金属化目的： 化学反应形成界面层，增强化学结合
物理扩散形成界面层，增强物理结合力
49
100
100 Cr C
depth profile lines Cr as Cr2C C as diamond C as Cr2C
子的极性键，如C=O，C-H，N-H和O-H等，在红外光谱上有反映。
相反，分子对称骨架振动在红外光谱上几乎看不到。
可见，拉曼光谱和红外光谱是相互补充的。
12
LRS与IR比较
对任何分子可以粗略地用下面的原则来判断其拉曼或红 外活性： 相互排斥规则：凡具有对称中心的分子，若其分子振动 对拉曼是活性的，则其红外就是非活性的。反之，若对 红外是活性的，则对拉曼就是非活性的。 相互允许规则：凡是没有对称中心的分子，若其分子振 动对拉曼是活性的，则红外也是活性的。
半导体吸收光谱
半导体吸收光谱
半导体吸收光谱是研究半导体材料基本性质和应用的重要手段
之一。
在光谱学中，吸收光谱是研究物质对电磁波能量吸收的方法。
半导体吸收光谱研究的是半导体材料在光学波段内对电磁波的吸收
特性，可以通过该特性来研究半导体材料的能带结构、能级分布等基本性质。
半导体吸收光谱可以分为宏观吸收光谱和微观吸收光谱两种类型。
宏观吸收光谱是指在宏观尺度下，对半导体材料整体进行的吸收光谱测量。
微观吸收光谱则是指在微观尺度下，对半导体材料内部结构进行的吸收光谱测量。
微观吸收光谱可以进一步分为局域吸收光谱和全固态吸收光谱两种类型。
半导体吸收光谱的实验测量可以通过紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪等工具进行。
半导体吸收光谱的研究在半导体材料的物理性质、光电性能、光伏应用等领域都有着重要的应用。
- 1 -。
材料的光学性能测试
材料科学实验讲义(一级实验指导书)东华大学材料科学与工程中心实验室汇编2009年7月一、实验目的和要求1、掌握透过率、全反射和漫反射测定的基本原理；2、掌握透过率、全反射和漫反射测定的操作技能；3、测定聚合物膜和无机非金属材料的薄膜的透过率和全反射率，学会测定无机材料粉末的漫反射光谱。
4、针对不同的材料形式(如薄膜，粉末等)能判断该如何选择不同的测试模式。
二、实验原理光学性能是材料的重要也是最常用的性能之一，薄膜、陶瓷、玻璃、粉末、聚合物、人工晶体甚至胶体的性能评价都离不开光学性能的表征。
本实验中所涉及到材料的光学性能主要是指透过率、反射率尤其是漫反射模式测定的反射率等光学性能的测定，涉及的材料包括聚合物、粉末和玻璃等。
在通常所用的分光光度法中，常常将待测定的物质溶解在溶剂中，通过比色来定性或定量物质的含量或浓度等。
一些无机粉末或者聚合物本身并不溶于常见的溶剂中，将这些不溶解的物质分散在液体介质中得到的是消光光谱而不是吸收光谱，测定的是消光(Extinction)而不仅仅是吸收(Absorption)。
另外，对薄膜材料来说，能进行原位测定是重要的，因为在溶解过程中往往改变了材料的状态，所测定的也不再是实际应用中所要知道的结果。
薄膜、粉末等是实际应用中常见的材料形式，这些材料的光学性能的测定对材料提出了更高的要求。
目前中高档的紫外-可见分光光度计均可选配积分球附件来测定物质的漫反射光谱(UV-vis diffuse reflenctance spectrum，UV-vis DRS)，UV-vis DRS特别适用粉末样品的测定。
聚合物、聚合物与无机物的杂化材料、多种无机化合物半导体均可用UV-vis DRS进行测定。
带积分球的分光光度计还可测定玻璃、有机玻璃、塑料制品的透过率和反射率等。
下面就有机物、无机物和化合物的紫外－可见光谱的原理作详细的介绍：1、有机物的紫外—可见吸收光谱：分子的紫外—可见吸收光谱是基于物质分子吸收紫外辐射或可见光，其外层电子跃迁而成，又称分子的电子跃迁光谱。
材料的光吸收和光发射
第二篇：材料的光吸收和光发射早在4000年前的古代中国青铜器时代，人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有了初步的认识。
而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至，景亡；若在，尽古息”。
也就是说，当光线透过物体时，物体的影子就会消亡；若物体的影子存在，则光线就被物体终止。
实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。
十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X 光的发现是材料科学研究中革命性的变革；2）天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代；3）黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础；4）激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识；5）到了上世纪八十年代后，纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。
这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。
而对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象。
这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。
光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。
光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。
由此可见，研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。
本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系在各种波长的光波中，能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是：λ= 400—760 nm的窄小范围。
对应的频率范围是：ν =7.5 ~4.3 ⨯1014 Hz。
在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
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绝缘体：无价带电子，禁带太宽
半导体：价带充满电子，禁带较窄
(3)半导体材料禁带宽度的测量
本征吸收：半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。
产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hν≥Eg
光栅——衍射和干涉分出光波长等距。
c．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区；石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。
要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）
d．检测器：将光信号转变为电信号的装置。如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。
紫外可见分光光度计的工作流程如下：
4.在主菜单中选择“数据处理”，按“F2”调用刚刚存贮的图谱，用“多点采集”采集370～410nm内每隔2nm的透射率T数据（即372、374、376、…408、410nm），记录之。
五、数据处理
根据公式 和 计算α、hν和(αhν)2，用(αhν)2对光子能量hν作图（用Origin作图）。然后在吸收边处选择线性最好的几点做线形拟合，将线性区外推到横轴上的截距就是禁带宽度Eg，即纵轴Y为0时的横轴值X。
UV762双光束紫外可见分光光度计外观图：
(1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。
a．光源：钨灯或卤钨灯——可见光源，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。
b．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件
色散元件：棱镜——对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距；
半导体材料吸收光谱测试分析
一、实验目的
1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。
2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。
二、实验仪器及材料
紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯、绘图打印机，玻璃基ZnO薄膜。
三、实验原理
1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律
光源单色器吸收池检测器显示
双光束紫外可见分光光度计则为：
双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：
(2)光吸收定律
单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：
(1)
I0：入射光强；Ix：透过厚度x的光强；It：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
透射率T为： (2)
则
即半导体薄膜对不同波长 i单色光的吸收系数为：
(3)
2.吸收光谱、半导体材料的能带结构和不同波长 i单色光入射半导体ZnO薄膜（膜厚d为593nm），测量透射率Ti，由式(3)计算吸收系数αi；由 计算光子能量Ei，其中， 是频率，c是光速(c=3.0×1017nm/s)， i是波长(nm)，h是普朗克常数=4.136×10－15 。
附Origin作图方法示例（在Origin上的具体操作）：
1．先用data selector键选择吸收边上的最好的几点。本次从右到左，（本例选取第10，11，12三点。）
2．在Tools菜单键中选用Linear Fit键，弹出一个选择框，在Points改为3，在Range改为11，并在Span X Axis框中打勾，在点击Fit键，即可。如下图所示：
根据半导体带间光跃迁的基本理论（见有关半导体物理书籍），在半导体本征吸收带内，吸收系数 与光子能量hν又有如下关系：
(4)
式中hν为光子能量；Eg为带隙宽度；A是常数。
由此公式，可以用(αhν)2对光子能量hν作图，如下：
然后在吸收边处选择线性最好的几点做线形拟合，将线性区外推到横轴上的截距就是禁带宽度Eg，即纵轴(αhν)2为0时的横轴值hν。如下图所示：
四、实验步骤
1.开机并自检
2.将制备的ZnO薄膜和空白样置光路中，在主菜单中选择“光谱测量”
3.在“光谱测量”菜单中设
测量模式：T
扫描范围：370～410nm
记录范围：0.000％～120％
扫描速度：中
采样间隔：0.1
扫描次数：1
显示模式：连续
按“Start”键。扫描。显示图谱后按“F3”存贮图谱并命名。按“F4”。
然后以吸收系数α对光子能量E作图，得到如下的吸收光谱图：
(2)半导体材料的能带结构
满带：各个能级都被电子填满的能带；
禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性，禁带的宽度称为带隙；
价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带(一般被占满)；
空带：所有能级都没有电子填充的能带；
导带：未被电子占满的价带。
3．在Find Y输入0；点击Find X键即可得知横轴截距Eg。
所以ZnO的禁带宽度Eg=4.23501eV。